一种用于视觉检测的led准直照明光学透镜的制作方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型设及L邸照明领域，具体设及一种用于视觉检测的L邸准直照明光学 透镜。
【背景技术】
[0002] 在视觉检测系统中，照明光源是其重要组成部分。照明效果的好坏直接影响被测 物的成像质量，从而影响后续的图像处理效果，导致最后的测量结果不准确。在精密检测系 统中，光源的照明效果更是有着举足轻重的作用。光源的光强、稳定性及照明均匀性等都会 对检测系统的精度产生很大的影响，直接决定了整个检测的成败。
[0003] 常用于视觉检测系统的照明光源有白识灯、日光灯、水银灯、钢光灯、L邸发光二极 管、半导体激光器等。照明光源的选择必须符合所需要的几何形状，照明亮度，均匀度，发光 的光谱特性也必须符合实际的要求，同时还要考虑光源的发光效率和使用寿命。传统光源 体积及能耗均较大，并且不具有优良的单色性和稳定性。半导体激光器虽然具有很好的单 色性和准直性，但是照明均匀性难W控制。在众多的光源当中，L邸光源凭借其诸多的优点， 如寿命长、响应快、抗震能力强等等，在现代视觉检测系统中得到越来越多的应用。但是，由 于LED朗伯型发光特性，直接应用于照明系统，通常不能获得良好的效果，需针对L邸及视 觉检测系统特性来进行光学设计。 【实用新型内容】
[0004] 针对视觉检测照明系统设计及朗伯型L邸光学设计中面临的主要问题，本实用新 型提供了一种用于视觉检测的L邸准直照明光学透镜，该透镜光学效率高，体积小，制造方 便，易于安装，并能产生高准直度的照明光斑。本实用新型采用旋转轴对称的LED自由曲面 透镜设计法，有效减小了透镜建模时产生的误差，有利于提高透镜的加工精度和光学效率。
[0005] 本实用新型采用如下技术方案：
[0006] -种用于视觉检测的L邸准直照明光学透镜，该透镜由透明材料制成，透明材料 为PMM或PC或光学玻璃，透镜包括S个自由曲面，分别构成入射面及出射面。所述透镜的 底面中屯、有一个供L邸安装于其内的空腔，空腔的一部分腔壁是柱面，构成所述的内侧柱 面，另一部分是自由曲面，构成所述的内侧自由曲面，内侧自由曲面位于内侧柱面的顶部， 两者构成所述的入射面；透镜的外侧面是自由曲面，构成所述的外侧自由曲面，透镜的顶面 中部是自由曲面，构成所述的顶部自由曲面，顶部自由曲面的外侧是台阶型平面，构成所述 的顶部平面，透镜的顶部自由曲面和顶部平面构成所述的出射面。
[0007] 自由曲面透镜的形状由如下方法确定：
[0008] WL邸光源为原点建立坐标系，WL邸底面所在平面为XOY平面，过原点并与平面 XOY垂直的轴为Z轴。首先对L邸光源立体角进行划分，接着对光线通过透镜后的出射角进 行均匀划分，建立光源立体角和光线通过透镜后的出射角的映射关系，然后运用折反射定 律，通过几何关系得到最后的自由曲面透镜。
[0009] 所述的构成透镜的自由曲面有=个，其计算步骤如下：
[0010] 2.设定初始条件并将LED光源立体角划分。
[0011] 首先，坐标系中0为入射光线与Z轴正方向的夹角。a为出射光线与Z轴正方向 的夹角。内侧柱面的底部半径为r。透镜材料的折射率为n。
[0012] 对于透镜空腔的内侧自由曲面，其主要作用是控制光线的出射角度。运里设置其 控制的角度取值范围为[0,PmJ,且0《0mid，0HUd表示从光源发出的光线，入射 到内侧自由曲面的最大入射角，Pm。、表示从光线穿过内侧自由曲面后的最大出射角。将区 间[0,PmJ均匀划分为N份，记为0 (i)，1《i《N。对于入射角度0，对其进行离散化， 将区间[0, 0mid]等分成N份，记为0 (i)，运样就得到了与出射角度0 (i)数组一一对应的 0 (i)的数组。N取值的大小决定了计算的精确度，其取值越大，最后的结果越精确。
[0013] 对于透镜空腔的内侧柱面，运里其控制的角度取值范围为0mid< 0 (i)《0m。、。 通常0m。、= 90°，表示从L邸发出光线的最大出射半角。同理，将区间（0mid, 等分 为N份，记为0 (i)，运样就将光源立体角0等分为2N份。
[0014] 2.建立光源立体角与光线通过透镜后的出射角的映射关系。
[0015] 对光线通过透镜后的出射角进行离散化。对应于光源立体角0的划分，将a也 等分成2N份，记为a(i)，且〇《a(i)《Qm。、，Qm。、表示光线通过整个透镜后的最大出 射角。由于所述透镜是用于准直照明，故在运种照明系统中Qmgy=O,a(i) =〇(即是将 a(i)设为一个全零数组）。运样就在光线通过整个透镜后的出射角a(i)与光源立体角 0 (i)数组之间建立起一一对应关系。
[0016] 3.求解自由曲面透镜的离散坐标。
[0017] 假设从LED出的光线与Z轴的夹角为0 (i)，并与内侧自由曲面相交于 Ai(Xi(i)，Zi(i))点，经过内侧自由曲面折射后与顶部自由曲面相交于Bi(? (i)，Z2 (i))点； 光线与内侧柱面相交于Ci(r，r?COt0 (i+1))点，光线穿过内侧柱面后与透镜外侧自由曲 面相交于Di(X3(i)，Z3(i))点，Ai点处的单位法向量iVl(o,巧，Bi点处的单位法向量iV;(c，^/)，Di点处的单位法向量馬(玲/)S
[0018] 在进行自由曲面构建时，由折反射定律求出自由曲面上点的法向量，利用运个法 向量求得切平面，通过求切平面与入射光线的交点得到曲线上点的坐标。折反射定律公式 如下：
[0020] 其中n为透镜折射率，其取值视透镜材料而定，為为入射光线单位向量，5品为出 射光线单位向量，茨为单位法向量。
[0021]对于内侧自由曲面，由光源立体角0 (i)可W得到入射向量，由Mi)可W求得出 射向量，结合折反射定律可解得内侧自由曲面上下一点的坐标值：
[0024] W此类推，可W得到内侧自由曲面的轮廓曲线上所有点的坐标值，由此可得内侧 柱面的底部半径为r=Xi(200)。
[0025] 对于顶部自由曲面，由Mi)可W得到入射向量，由a(i)可W求得出射向量，把 上式与折反射定律联立，可W解得顶部自由曲面上下一点的坐标值：
[002引对于外侧自由曲面，由于光线与内侧柱面相交于Ci (r，r?COt 0 (i+1))点，通过内 侧柱面后光线的出射角为P，则
[0029] 例/')二化in[cos(d(/))/円]
[0030] 当光线入射到外侧自由曲面时，在该面上发生全反射，此时折反射定律可W表示 为：
[0032] 经过外侧自由曲面的反射后，光线传播到透镜顶部平面并直接出射，故a (i)即 为经过外侧自由曲面的反射后的出射角。
[0033] 由抑/)和a(i)与折反射定律联立，可W解得外侧自由曲面上下一点的坐标值：
[0036] 曰，b，C，d，e，f的值可W由折反射定律得出。
[0037] 具体方法如下；
[003引 （1)分别确定内侦U、顶部、外侧自由曲面的起始点。
[003引 似对于内侧自由曲面，由0和0可W得到入射向量和出射向量，通过折反射定 律，确定起始点的切平面，第二条入射光线与该切平面相交从而确定第二点。
[0040] (3)对于顶部自由曲面，将内侧自由曲面的第二条光线的出射向量作为顶部自由 曲面的第二条光线的入射向量，即由0得到入射向量，再由a得到出射向量，然后利用折 反射定律得到起始点的切平面，由起始点的切平面与第二条光线的入射向量所在的直线相 交可得出第二点。
[00川 （4)对于外侧自由曲面，由矿和a可W分别得到光线经过外侧自由曲面时的入射 向量和出射向量。利用折反射定律求出起始点的切平面，将切平面与经过内侧柱面折射后 的第二条光线的入射向量所在的直线相交可得出第二点。
[0042] (5)同理，由前一点的切平面与下一条光线的入射向量所在的直线相交可得出下 一点坐标，通过机迭代可分别得出内侧，顶部、外侧自由曲面上全部点的坐标，由此确定了 透镜轮廓曲线，然后将透镜轮廓曲线绕中屯、轴旋转构成整个自由曲面。
[0043] 4.利用建模软件将得到的点拟合为实体。
[0044] 将得到的离散点的坐标依次导入到机械建模软件，进行拟合，然后将得到的轮廓 曲线绕中屯、轴旋转，即可得到最终的光学透镜实体模型。
[0045] 采用上述技术方案后，可W设计出一个高光学效率、结构紧凑、体积小巧、用于视 觉检测的L邸准直照明光学透镜。从LED出射的光线通过自由曲面透镜后，能够在目标照 明面上形成高准直度的圆形光斑。
[0046] 本实用新型的有益效果及优点：由于采用自由曲面透镜，从LED出射的光线经过 自由曲面透镜配光后，能够在目标照明面上形成高准直度的圆形光斑；并且从光源发出的 光线几乎可W全部被利用，透镜的光学效率很高。另外，透镜的底面中部有一个由自由曲面 和柱面组成的空腔，使L邸光源易于安装。由于透镜的体积小，使之可W方便的安装到视觉 检测照明系统中，同时也有利于照明系统的散热设计。本实用新型非常有利于朗伯型LED 的光学设计及视觉检测照明系统的设计。本实用新型不但可W应用于L邸二次光学设计， 而且可W用于L邸一次光学设计W及成像系统光学设计。
【附图说明】
[0047]图1为实施方式中光源立体角与内侧自由曲面控制的出射角的映射关系图。
[0048] 图2为实施方式中光源立体角与透镜的出射角的映射关系图。
[0049] 图3为实施方式中透镜的侧视剖面图。
[0050] 图4为实施方式中透镜的侧视=维立体图。
[0051] 图5为实施方式中透镜的仰视=维立体图。
[0052] 图6为实施方式中透镜的右视S维立体图。
[0053] 图7为实施方式中透镜的