一種用于視覺檢測的led準(zhǔn)直照明光學(xué)透鏡的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實用新型設(shè)及L邸照明領(lǐng)域，具體設(shè)及一種用于視覺檢測的L邸準(zhǔn)直照明光學(xué) 透鏡。
【背景技術(shù)】
[0002] 在視覺檢測系統(tǒng)中，照明光源是其重要組成部分。照明效果的好壞直接影響被測 物的成像質(zhì)量，從而影響后續(xù)的圖像處理效果，導(dǎo)致最后的測量結(jié)果不準(zhǔn)確。在精密檢測系 統(tǒng)中，光源的照明效果更是有著舉足輕重的作用。光源的光強(qiáng)、穩(wěn)定性及照明均勻性等都會 對檢測系統(tǒng)的精度產(chǎn)生很大的影響，直接決定了整個檢測的成敗。
[0003] 常用于視覺檢測系統(tǒng)的照明光源有白識燈、日光燈、水銀燈、鋼光燈、L邸發(fā)光二極 管、半導(dǎo)體激光器等。照明光源的選擇必須符合所需要的幾何形狀，照明亮度，均勻度，發(fā)光 的光譜特性也必須符合實際的要求，同時還要考慮光源的發(fā)光效率和使用壽命。傳統(tǒng)光源 體積及能耗均較大，并且不具有優(yōu)良的單色性和穩(wěn)定性。半導(dǎo)體激光器雖然具有很好的單 色性和準(zhǔn)直性，但是照明均勻性難W控制。在眾多的光源當(dāng)中，L邸光源憑借其諸多的優(yōu)點， 如壽命長、響應(yīng)快、抗震能力強(qiáng)等等，在現(xiàn)代視覺檢測系統(tǒng)中得到越來越多的應(yīng)用。但是，由 于LED朗伯型發(fā)光特性，直接應(yīng)用于照明系統(tǒng)，通常不能獲得良好的效果，需針對L邸及視 覺檢測系統(tǒng)特性來進(jìn)行光學(xué)設(shè)計。 【實用新型內(nèi)容】
[0004] 針對視覺檢測照明系統(tǒng)設(shè)計及朗伯型L邸光學(xué)設(shè)計中面臨的主要問題，本實用新 型提供了一種用于視覺檢測的L邸準(zhǔn)直照明光學(xué)透鏡，該透鏡光學(xué)效率高，體積小，制造方 便，易于安裝，并能產(chǎn)生高準(zhǔn)直度的照明光斑。本實用新型采用旋轉(zhuǎn)軸對稱的LED自由曲面 透鏡設(shè)計法，有效減小了透鏡建模時產(chǎn)生的誤差，有利于提高透鏡的加工精度和光學(xué)效率。
[0005] 本實用新型采用如下技術(shù)方案：
[0006] -種用于視覺檢測的L邸準(zhǔn)直照明光學(xué)透鏡，該透鏡由透明材料制成，透明材料 為PMM或PC或光學(xué)玻璃，透鏡包括S個自由曲面，分別構(gòu)成入射面及出射面。所述透鏡的 底面中屯、有一個供L邸安裝于其內(nèi)的空腔，空腔的一部分腔壁是柱面，構(gòu)成所述的內(nèi)側(cè)柱 面，另一部分是自由曲面，構(gòu)成所述的內(nèi)側(cè)自由曲面，內(nèi)側(cè)自由曲面位于內(nèi)側(cè)柱面的頂部， 兩者構(gòu)成所述的入射面；透鏡的外側(cè)面是自由曲面，構(gòu)成所述的外側(cè)自由曲面，透鏡的頂面 中部是自由曲面，構(gòu)成所述的頂部自由曲面，頂部自由曲面的外側(cè)是臺階型平面，構(gòu)成所述 的頂部平面，透鏡的頂部自由曲面和頂部平面構(gòu)成所述的出射面。
[0007] 自由曲面透鏡的形狀由如下方法確定：
[0008] WL邸光源為原點建立坐標(biāo)系，WL邸底面所在平面為XOY平面，過原點并與平面 XOY垂直的軸為Z軸。首先對L邸光源立體角進(jìn)行劃分，接著對光線通過透鏡后的出射角進(jìn) 行均勻劃分，建立光源立體角和光線通過透鏡后的出射角的映射關(guān)系，然后運用折反射定 律，通過幾何關(guān)系得到最后的自由曲面透鏡。
[0009] 所述的構(gòu)成透鏡的自由曲面有=個，其計算步驟如下：
[0010] 2.設(shè)定初始條件并將LED光源立體角劃分。
[0011] 首先，坐標(biāo)系中0為入射光線與Z軸正方向的夾角。a為出射光線與Z軸正方向 的夾角。內(nèi)側(cè)柱面的底部半徑為r。透鏡材料的折射率為n。
[0012] 對于透鏡空腔的內(nèi)側(cè)自由曲面，其主要作用是控制光線的出射角度。運里設(shè)置其 控制的角度取值范圍為[0,PmJ,且0《0mid，0HUd表示從光源發(fā)出的光線，入射 到內(nèi)側(cè)自由曲面的最大入射角，Pm。、表示從光線穿過內(nèi)側(cè)自由曲面后的最大出射角。將區(qū) 間[0,PmJ均勻劃分為N份，記為0 (i)，1《i《N。對于入射角度0，對其進(jìn)行離散化， 將區(qū)間[0, 0mid]等分成N份，記為0 (i)，運樣就得到了與出射角度0 (i)數(shù)組一一對應(yīng)的 0 (i)的數(shù)組。N取值的大小決定了計算的精確度，其取值越大，最后的結(jié)果越精確。
[0013] 對于透鏡空腔的內(nèi)側(cè)柱面，運里其控制的角度取值范圍為0mid< 0 (i)《0m。、。 通常0m。、= 90°，表示從L邸發(fā)出光線的最大出射半角。同理，將區(qū)間（0mid, 等分 為N份，記為0 (i)，運樣就將光源立體角0等分為2N份。
[0014] 2.建立光源立體角與光線通過透鏡后的出射角的映射關(guān)系。
[0015] 對光線通過透鏡后的出射角進(jìn)行離散化。對應(yīng)于光源立體角0的劃分，將a也 等分成2N份，記為a(i)，且〇《a(i)《Qm。、，Qm。、表示光線通過整個透鏡后的最大出 射角。由于所述透鏡是用于準(zhǔn)直照明，故在運種照明系統(tǒng)中Qmgy=O,a(i) =〇(即是將 a(i)設(shè)為一個全零數(shù)組）。運樣就在光線通過整個透鏡后的出射角a(i)與光源立體角 0 (i)數(shù)組之間建立起一一對應(yīng)關(guān)系。
[0016] 3.求解自由曲面透鏡的離散坐標(biāo)。
[0017] 假設(shè)從LED出的光線與Z軸的夾角為0 (i)，并與內(nèi)側(cè)自由曲面相交于 Ai(Xi(i)，Zi(i))點，經(jīng)過內(nèi)側(cè)自由曲面折射后與頂部自由曲面相交于Bi(? (i)，Z2 (i))點； 光線與內(nèi)側(cè)柱面相交于Ci(r，r?COt0 (i+1))點，光線穿過內(nèi)側(cè)柱面后與透鏡外側(cè)自由曲 面相交于Di(X3(i)，Z3(i))點，Ai點處的單位法向量iVl(o,巧，Bi點處的單位法向量iV;(c，^/)，Di點處的單位法向量馬(玲/)S
[0018] 在進(jìn)行自由曲面構(gòu)建時，由折反射定律求出自由曲面上點的法向量，利用運個法 向量求得切平面，通過求切平面與入射光線的交點得到曲線上點的坐標(biāo)。折反射定律公式 如下：
[0020] 其中n為透鏡折射率，其取值視透鏡材料而定，為為入射光線單位向量，5品為出 射光線單位向量，茨為單位法向量。
[0021]對于內(nèi)側(cè)自由曲面，由光源立體角0 (i)可W得到入射向量，由Mi)可W求得出 射向量，結(jié)合折反射定律可解得內(nèi)側(cè)自由曲面上下一點的坐標(biāo)值：
[0024] W此類推，可W得到內(nèi)側(cè)自由曲面的輪廓曲線上所有點的坐標(biāo)值，由此可得內(nèi)側(cè) 柱面的底部半徑為r=Xi(200)。
[0025] 對于頂部自由曲面，由Mi)可W得到入射向量，由a(i)可W求得出射向量，把 上式與折反射定律聯(lián)立，可W解得頂部自由曲面上下一點的坐標(biāo)值：
[002引對于外側(cè)自由曲面，由于光線與內(nèi)側(cè)柱面相交于Ci (r，r?COt 0 (i+1))點，通過內(nèi) 側(cè)柱面后光線的出射角為P，則
[0029] 例/')二化in[cos(d(/))/円]
[0030] 當(dāng)光線入射到外側(cè)自由曲面時，在該面上發(fā)生全反射，此時折反射定律可W表示 為：
[0032] 經(jīng)過外側(cè)自由曲面的反射后，光線傳播到透鏡頂部平面并直接出射，故a (i)即 為經(jīng)過外側(cè)自由曲面的反射后的出射角。
[0033] 由抑/)和a(i)與折反射定律聯(lián)立，可W解得外側(cè)自由曲面上下一點的坐標(biāo)值：
[0036] 曰，b，C，d，e，f的值可W由折反射定律得出。
[0037] 具體方法如下；
[003引 （1)分別確定內(nèi)偵U、頂部、外側(cè)自由曲面的起始點。
[003引 似對于內(nèi)側(cè)自由曲面，由0和0可W得到入射向量和出射向量，通過折反射定 律，確定起始點的切平面，第二條入射光線與該切平面相交從而確定第二點。
[0040] (3)對于頂部自由曲面，將內(nèi)側(cè)自由曲面的第二條光線的出射向量作為頂部自由 曲面的第二條光線的入射向量，即由0得到入射向量，再由a得到出射向量，然后利用折 反射定律得到起始點的切平面，由起始點的切平面與第二條光線的入射向量所在的直線相 交可得出第二點。
[00川 （4)對于外側(cè)自由曲面，由礦和a可W分別得到光線經(jīng)過外側(cè)自由曲面時的入射 向量和出射向量。利用折反射定律求出起始點的切平面，將切平面與經(jīng)過內(nèi)側(cè)柱面折射后 的第二條光線的入射向量所在的直線相交可得出第二點。
[0042] (5)同理，由前一點的切平面與下一條光線的入射向量所在的直線相交可得出下 一點坐標(biāo)，通過機(jī)迭代可分別得出內(nèi)側(cè)，頂部、外側(cè)自由曲面上全部點的坐標(biāo)，由此確定了 透鏡輪廓曲線，然后將透鏡輪廓曲線繞中屯、軸旋轉(zhuǎn)構(gòu)成整個自由曲面。
[0043] 4.利用建模軟件將得到的點擬合為實體。
[0044] 將得到的離散點的坐標(biāo)依次導(dǎo)入到機(jī)械建模軟件，進(jìn)行擬合，然后將得到的輪廓 曲線繞中屯、軸旋轉(zhuǎn)，即可得到最終的光學(xué)透鏡實體模型。
[0045] 采用上述技術(shù)方案后，可W設(shè)計出一個高光學(xué)效率、結(jié)構(gòu)緊湊、體積小巧、用于視 覺檢測的L邸準(zhǔn)直照明光學(xué)透鏡。從LED出射的光線通過自由曲面透鏡后，能夠在目標(biāo)照 明面上形成高準(zhǔn)直度的圓形光斑。
[0046] 本實用新型的有益效果及優(yōu)點：由于采用自由曲面透鏡，從LED出射的光線經(jīng)過 自由曲面透鏡配光后，能夠在目標(biāo)照明面上形成高準(zhǔn)直度的圓形光斑；并且從光源發(fā)出的 光線幾乎可W全部被利用，透鏡的光學(xué)效率很高。另外，透鏡的底面中部有一個由自由曲面 和柱面組成的空腔，使L邸光源易于安裝。由于透鏡的體積小，使之可W方便的安裝到視覺 檢測照明系統(tǒng)中，同時也有利于照明系統(tǒng)的散熱設(shè)計。本實用新型非常有利于朗伯型LED 的光學(xué)設(shè)計及視覺檢測照明系統(tǒng)的設(shè)計。本實用新型不但可W應(yīng)用于L邸二次光學(xué)設(shè)計， 而且可W用于L邸一次光學(xué)設(shè)計W及成像系統(tǒng)光學(xué)設(shè)計。
【附圖說明】
[0047]圖1為實施方式中光源立體角與內(nèi)側(cè)自由曲面控制的出射角的映射關(guān)系圖。
[0048] 圖2為實施方式中光源立體角與透鏡的出射角的映射關(guān)系圖。
[0049] 圖3為實施方式中透鏡的側(cè)視剖面圖。
[0050] 圖4為實施方式中透鏡的側(cè)視=維立體圖。
[0051] 圖5為實施方式中透鏡的仰視=維立體圖。
[0052] 圖6為實施方式中透鏡的右視S維立體圖。
[0053] 圖7為實施方式中透鏡的