专利名称：用于实现均匀照明的高漫反射率自由曲面的设计方法
技术领域：
本发明属于光学技术与照明技术领域，具体涉及一种用于重新分配LED光源能量实现均匀照明的高漫反射率自由曲面。
背景技术：
发光二极管(LED)作为新一代的绿色光源，凭借着其发光效率高、能耗低、寿命长、结构紧凑、安全性和稳定性好等诸多优点，在彩色图像视觉等需要均匀照明条件的领域中已经展现出极为广阔的应用前景。但是，单颗LED所能提供的光能有限，很难满足实际照明系统中大面积、高亮度的照明要求。并且，大部分LED产品的出光呈现朗伯分布，并不适合单独作为系统光源。在大多数应用场合中，需要设计一个二次配光结构，将LED发出的光强重新分配。基于传统成像光学原理，以实现在特定区域内的均匀照明为主要目标，比较经典的配光方法包括使用复眼透镜和方棒。但是这类匀光器件受到本身结构性质的制约，对光线的入射角度具有较为严格的限制；同时，复眼透镜阵列结构复杂，加工困难；方棒尺寸通常较大，不利于系统的小型化。目前，也有科研工作者基于非成像光学理论，利用光的折反射方程和能量守恒定律建立微分方程组，并通过数值求解得到用于二次配光的自由曲面透镜或自由曲面反射器。但是，当采用多个波段的LED作为彩色图像视觉系统的光源进行照明时，上述方法往往会产生混光不均的问题，这将影响采集图像的分辨率和检测目标的对比度，不利于简化图像算法。此外，大量光线经镜面反射或折射后，可能产生眩光不适的现象，这是引起视觉疲劳的重 要原因之一。
发明内容
本发明旨在克服现有技术中存在的诸多缺陷与制约，设计一个用于重新分配LED光源能量的高漫反射率自由曲面，实现在特定目标区域内均匀照明的要求。本发明通过如下技术方案实现:
一种用于实现均匀照明的高漫反射率自由曲面的设计方法，包括:
(1)、建立一个基于漫反射间接照明的LED光学系统模型；
(2)、以LED光源发光面中心为坐标原点建立笛卡尔坐标系；
(3)、构建用于二次配光的自由曲面漫反射表面的一般数学模型；
(4)、利用数值方法求解方程组得到该漫反射自由曲面的面型轮廓。一个基于漫反射间接照明的LED光学系统，包括:CCD相机，用于彩色视觉系统中图像的拍摄。三环阵列LED光源，用于发射不同波段的光线。高漫反射率自由曲面，用于漫反射由三环阵列LED光源发出的光线。该漫反射自由曲面顶端设有一通光圆孔，便于CCD相机进行图像采集。目标检测平面，用于接收经自由曲面漫反射后的光线。本发明所述的用于重新分配光源能量的高漫反射率自由曲面呈中心轴对称形状。以过该漫反射自由曲面旋转中心轴的截面为基准面，建立笛卡尔坐标系:以上述旋转中心轴为Z轴，过坐标系原点且与中心轴垂直的方向为X轴。三环阵列LED光源固定于XOY平面中央位置，所述高漫反射率自由曲面放置在LED光源正上方，需要照亮的目标检测平面与LED光源发光平面平行，且放置在Z轴负方向上。本发明中，由三环阵列LED光源发出的光线，经高漫反射率自由曲面漫反射后将等同地分散到各个方向，实现光强的合理控制与分配，在目标检测平面上形成一个均匀的照明区域。该照明系统示意图如
图1所示。基于旋转对称原理，本发明通过将漫反射自由曲面在XOZ平面上所截得的自由曲线绕LED光源发光面中心法线即旋转中心轴Z轴旋转一周，即可得到所求高漫反射率自由曲面的面型轮廓。所述自由曲线通过如下步骤编程计算确定:
1、基于LED光源和高漫反射率表面的朗伯特性，应用双向反射分布函数(BRDF)，构建用于表征目标检测平面辐射照度的数学模拟算法，该算法以所求自由曲线上各离散点的坐标为未知变量。理想的朗伯LED点光源的辐照分布可用一个余弦函数表达:
权利要求
1.用于实现均匀照明的高漫反射率自由曲面的设计方法，其特征在于，包括: (1)建立一个基于漫反射间接照明的LED光学系统模型； (2)以LED光源发光面中心为坐标原点建立笛卡尔坐标系； (3)构建用于二次配光的自由曲面漫反射表面的一般数学模型； (4)利用数值方法求解方程组得到该漫反射自由曲面的面型轮廓。
2.根据权利要求1所述的基于漫反射间接照明的LED光学系统，其特征在于它包括:CCD相机，三环阵列LED光源，顶端设有一通光圆孔的高漫反射率自由曲面，以及目标检测平面。
3.根据权利要求1所述的以LED光源发光面中心为坐标原点的笛卡尔坐标系，其特征在于:用于重新分配光源能量的高漫反射率自由曲面呈中心轴对称形状，以过该自由曲面旋转中心轴的截面为基准面:以上述旋转中心轴为Z轴，过坐标系原点且与中心轴垂直的方向为X轴；三环阵列LED光源固定于XOY平面中央位置，所述高漫反射率自由曲面放置在LED光源正上方，需要照亮的目标检测平面与LED光源发光平面平行，且放置在Z轴负方向上。
4.根据权利要求1所述的用于间接照明的高漫反射率自由曲面，其特征在于:由三环阵列LED光源发出的光线，经该表面漫反射后将等同地分散到各个方向，实现光强的合理控制与分配，在目标检测平面上形成一个均匀的照明区域。
5.根据权利要求1所述的自由曲面求解原理，其特征在于:通过将漫反射自由曲面在XOZ平面上所截得的自由曲线绕LED光源发光面中心法线即旋转中心轴Z轴旋转一周，即可得到上述高漫反射率自由曲 面的面型轮廓； 所述自由曲线通过如下步骤编程计算确定: (I)基于LED光源和高漫反射率表面的朗伯特性，应用双向反射分布函数(BRDF)，构建用于表征目标检测平面辐射照度的数学模拟算法，该算法以所求自由曲线上各离散点的坐标为未知变量； 理想的朗伯LED点光源的辐照分布可用一个余弦函数表达:
全文摘要
本发明提供了一种基于高漫反射率自由曲面的LED均匀照明光源的设计方法。根据LED光源的发光特性，应用高漫反射率表面的双向反射分布函数(BRDF)，建立用于二次配光的自由曲面漫反射表面的一般数学模型。结合实际应用场合中对目标照明区域及其辐照度分布的具体要求，利用上述数学模型列写非线性代数方程组，并通过数值方法求解得到该漫反射自由曲面的面型轮廓。本发明所述的基于高漫反射率自由曲面的LED间接照明光源不仅系统结构紧凑，而且辐照均匀度高，可用于彩色视觉测量、室内照明、投影仪器设备等诸多需要高均匀度照明条件的领域，具有很好的应用前景。
文档编号F21Y101/02GK103234173SQ20131015344
公开日2013年8月7日 申请日期2013年4月28日 优先权日2013年4月28日
发明者祝振敏, 金小龙, 衷路生 申请人:华东交通大学