基于TracePro的發(fā)光二極管均勻照明光源設(shè)計(jì)

甘 勇， 賈崔赟

(桂林電子科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院， 桂林 541004)

隨著零件加工的高精度化發(fā)展，對加工零件進(jìn)行的后續(xù)無損檢測對提高生產(chǎn)精度，及時(shí)反饋修正生產(chǎn)過程中存在的誤差有著重大意義。基于光學(xué)原理的光學(xué)無損檢測由于其檢測精度高，速度快，準(zhǔn)確性高等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為主流的無損檢測方式[1]。在光學(xué)檢測系統(tǒng)中，光源的光照均勻度極大程度上影響了圖像采集的信息包含性以及后續(xù)檢測精度。光照不均，會導(dǎo)致被測物體上的照明光線發(fā)生明顯的亮暗差別[2]，在被測物體表面形成局部過亮區(qū)域，致使采集到的圖像模糊，導(dǎo)致零件的部分三維輪廓特征丟失。目前，中外對發(fā)光二極管(light emitting diode，LED)光源的研究，多偏向于LED光源的低功耗高效照明以及LED光源在各應(yīng)用方面對傳統(tǒng)光源的替代[3]，而光源的排布方式對照明效果的影響這一方面的研究較少。傳統(tǒng)的工業(yè)照明方案，普遍采用圓環(huán)形LED密集排列式光源進(jìn)行照明，照明模式單一且照射角度固定不變，不能適用于對不同三維尺寸零件的測量。因此，亟需針對此問題進(jìn)行相關(guān)研究。

光照檢測常用的照明方式有亮場照明和暗場照明兩種方式。亮場照明會使物體表面反射的光線以及光源本身四散的光線進(jìn)入鏡頭影響成像效果。綜合考慮，研究方案采用下光源暗場照明[4]，設(shè)計(jì)一種角度可調(diào)照明光源系統(tǒng)，并對被測場景各參數(shù)進(jìn)行公式描述，在實(shí)際測量中可根據(jù)相關(guān)公式計(jì)算得到被測場景最佳適配角度，在保證光照強(qiáng)度的同時(shí)，達(dá)到光照均勻度的最優(yōu)，使物體在采集到的圖像中特征表現(xiàn)完好。此方案在減少光源成本的同時(shí)，大大減少實(shí)驗(yàn)前的光源調(diào)整時(shí)長。在提高被測物體特征采集與識別提取精度，實(shí)現(xiàn)被測場景光照均勻度最優(yōu)化，提高實(shí)驗(yàn)效率，完善零件加工工藝等方面具有重大意義。

1 基本原理

1.1 反射式LED光源設(shè)計(jì)

目前市場上主流的LED光源設(shè)計(jì)中，采用多個(gè)LED燈泡緊密排列的方式，這種排列方式采用大量的燈泡以達(dá)到實(shí)驗(yàn)方案所需求的光照條件，光線向四周發(fā)散。當(dāng)LED燈泡過多時(shí)，在相對密閉的實(shí)驗(yàn)采集環(huán)境中，由于大量燈泡的聚集發(fā)熱，會導(dǎo)致測量環(huán)境整體溫度升高，影響測量元件的正常運(yùn)行，產(chǎn)生采集誤差，影響后續(xù)圖像處理結(jié)果。反射罩式LED照明光源，采用拋物線反射式燈罩[5]，反射罩長為6 mm，兩端開口圓直徑分別為10.58、4 mm。拋物線反射式燈罩能夠使焦點(diǎn)位置的光源光線經(jīng)罩壁反射平行出射。反射罩的壁板采用不透光材料，并有反光涂層，使光線經(jīng)反射罩聚集后直接照射在被測物體表面，提高照明效率，減少了LED燈泡的使用數(shù)量，避免光線散射進(jìn)入鏡頭。

1.2 TracePro仿真

TracePro作為一種專門對光源照明進(jìn)行仿真分析的光學(xué)仿真軟件，實(shí)驗(yàn)者可按實(shí)際需求，根據(jù)設(shè)計(jì)方案建立合適的光學(xué)模型進(jìn)行仿真[6]。方案采用拋物線式LED光源反射罩設(shè)計(jì)，燈罩內(nèi)部采用完全鏡面反射(prefect mirror)，燈體選型設(shè)計(jì)為圓球點(diǎn)光源，在反射罩前端設(shè)計(jì)加放了菲涅爾透鏡[7]，以實(shí)現(xiàn)更好的聚光能力，投射路線如圖1所示。

圖1 反射罩光線投射路線Fig.1 Light projection route of reflector

TracePro仿真軟件利用ray trace和irradiance maps等功能來實(shí)現(xiàn)光線投射路線的捕捉顯示，最終生成光照輝度圖與分布圖。按方案設(shè)計(jì)要求，為保證光源板的位置不影響鏡頭的采集視野，需考慮鏡頭的工作距離以及視場角等因素，設(shè)計(jì)示意圖如圖2所示。

按圖2所示建立照明幾何模型，通過TracePro仿真軟件進(jìn)行光路模擬示蹤，光照度模擬分析，獲取光照輝度等信息，并以此為依據(jù)進(jìn)行基于理論基礎(chǔ)的光源排布優(yōu)化。

圖2 設(shè)計(jì)方案示意圖Fig.2 Schematic diagram of design scheme

2 基于TracePro的LED光源模擬

對LED照明光源系統(tǒng)進(jìn)行TracePro仿真分析，分析LED燈泡的排布方式，光源投射角度對光照均勻度的影響，討論光源投射角度與實(shí)際被測物體特征參數(shù)的對應(yīng)調(diào)整關(guān)系。

2.1 光源排列層數(shù)對光照均勻度影響

傳統(tǒng)的環(huán)形光源排布方式中，LED光源呈圓環(huán)形環(huán)繞排布，當(dāng)LED燈泡的排布過于緊密時(shí)，LED的發(fā)熱會導(dǎo)致光源板溫度升高，影響發(fā)光穩(wěn)定，降低LED燈泡的使用壽命[8]。在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中，光源板所處工作環(huán)境是一個(gè)相對密閉空間，光源的散熱性差的會導(dǎo)致空間溫度升高，影響空間內(nèi)采集元件的正常工作，影響圖像采集。在設(shè)計(jì)光源板時(shí)，設(shè)計(jì)了拋物線反射罩式LED燈組，在減少LED燈泡使用數(shù)量的同時(shí)，反光罩的聚光特性會減少光線的四射散失，既大幅減少了無用光的散射又提高了LED的光照效率。燈罩的存在使燈泡之間的距離變大，利于光源散熱。經(jīng)仿真分析，在同條件下的光源的定距照明效果相對比，反射罩式LED光源的光照強(qiáng)度與均勻度與傳統(tǒng)LED燈泡密集排列方式下的效果相一致，使用的LED燈泡數(shù)目減少，能耗降低。

在TracePro仿真中，分別設(shè)定光源層數(shù)為1、2、3、4層，分別建立光源模型，光源最大半徑為 200 mm。經(jīng)仿真分析所得照度圖如圖3所示。圖3中不同漸變色標(biāo)塊表示單位面積1 m2上所接收到的來自照明光源的光線數(shù)量。

W為1 m2所接受到來自照明光源的光線數(shù)量圖3 不同光源層數(shù)排布以及照度圖Fig.3 Graphs of different light source layers and illuminance

在預(yù)設(shè)測量半徑r=200 mm內(nèi)，在MATLAB中對照度圖進(jìn)行網(wǎng)格劃分，分別統(tǒng)計(jì)均值光強(qiáng)照度面積si，按式(1)進(jìn)行總照度面積Si統(tǒng)計(jì)，并根據(jù)式(2)進(jìn)行光照均勻度P統(tǒng)計(jì)[9]。

Si=si1+si2+…+sin

(1)

(2)

光照均勻度系數(shù)如表1所示

表1 不同層數(shù)光照均勻度

通過表1可得，光源層數(shù)越多，光照均勻度越好。但當(dāng)光源層數(shù)大于3層時(shí)，實(shí)際光照均勻度變化幅度從2層到3層的56.69%降至10.23%，綜合經(jīng)濟(jì)性與實(shí)際散熱要求，選用4層光源排列設(shè)計(jì)。

2.2 光源環(huán)繞形式對光照均勻度影響

圓環(huán)環(huán)繞式光源在檢測不同尺寸的零件時(shí)，光源投射角度不可改變，導(dǎo)致均勻光照范圍固定，影響采集效果。方案所需一種可靈活調(diào)整投射角度的光源板，需滿足以下條件：①環(huán)繞性好；②光源照射角度可調(diào)，可按所需照射角度進(jìn)行調(diào)整[10]。對所設(shè)定的r=200 mm被測面，模擬在4層光源時(shí)以不同的光源環(huán)繞形式進(jìn)行照明。分別設(shè)定為正方形環(huán)繞，正六邊形環(huán)繞以及正八邊形環(huán)繞。3種光源排布方式仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同環(huán)繞排布方式照度圖Fig.4 Illumination diagram of different surroundings

對所得光線照度圖進(jìn)行均勻度計(jì)算分析，光照均勻度如表2所示。

表2 不同環(huán)繞方式光照均勻度

分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)光源的環(huán)繞形狀越接近圓形時(shí)，照明效果越好，光照均勻度越好，但多邊形的形狀越復(fù)雜，光源板的結(jié)構(gòu)組成會更復(fù)雜，在調(diào)整投射角度階段所需的步驟越多，會延長采集前的準(zhǔn)備時(shí)間。綜上，為減少準(zhǔn)備時(shí)長，提高圖像采集效率，選用正六邊環(huán)繞方式進(jìn)行光源燈泡排布。

2.3 光源照射角度與實(shí)際場景的對應(yīng)調(diào)整

按照上述仿真結(jié)果，在方案設(shè)計(jì)觀測高度H=500 mm，視場范圍半徑r=200 mm時(shí)，設(shè)計(jì)4層正六邊環(huán)繞式光源進(jìn)行角度模擬，角度投射示意圖如圖5所示。依據(jù)光線疊加原理，照射角度應(yīng)滿足以下條件：①最外層光線在投射至指定視場范圍時(shí)，應(yīng)保證光照中心點(diǎn)位于視場范圍內(nèi)；②光照疊加層數(shù)不能過多，當(dāng)投射角度逐漸變化時(shí)，會在某一位置由于光線疊加造成局部過亮，影響采集效果；③光源內(nèi)層光照中心需在指定視場內(nèi)部。

H為最外層光源到被測面的距離，R為光源半徑，x為任意觀測點(diǎn)的x坐標(biāo)值，d為光源間隔，α為光源板轉(zhuǎn)動角度圖5 角度投射示意圖Fig.5 Schematic diagram of angle projection

由圖5中參數(shù)可確定光源板轉(zhuǎn)動角度的范圍為

(3)

式(3)中：r為被測面半徑,n為光源排列層數(shù)。由于在實(shí)際角度變化時(shí)，照射高度會隨著光源分布在不同層數(shù)的原因，照射距離發(fā)生差異，所以此時(shí)應(yīng)對差異高度進(jìn)行相對的誤差補(bǔ)償[11]。在原始光照強(qiáng)度為I0的實(shí)驗(yàn)場景下，對光源進(jìn)行分層光線疊加分析計(jì)算，在轉(zhuǎn)動過程中，各層光源對點(diǎn)x處的光線照射強(qiáng)度為

(4)

(5)

Ix(n-1)=

(6)

式中：Ix(n-1)為第n-1個(gè)光源到被觀測點(diǎn)的光照強(qiáng)度。

綜合式(4)～式(6)得m層光源整體的光線疊加關(guān)系式為

Ix=

(7)

將方案的預(yù)設(shè)參數(shù)值分別代入式(7)進(jìn)行計(jì)算篩選。結(jié)果顯示，當(dāng)α=9°時(shí)，視場光照均勻度與被測區(qū)域光強(qiáng)范圍達(dá)到最佳搭配。進(jìn)行多角度模擬驗(yàn)證，模擬驗(yàn)證結(jié)果如表3所示

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)2節(jié)中TracePro仿真分析所得到的結(jié)論，進(jìn)行方案實(shí)驗(yàn)裝置的搭建，選擇Basler acA5472型 2 000 萬像素工業(yè)相機(jī)以及相配套的高清鏡頭進(jìn)行圖像采集，采用高亮度LED燈泡，4層正六邊形環(huán)繞式設(shè)計(jì)，采用標(biāo)準(zhǔn)色卡作為被測背景，光源實(shí)物圖如圖6所示。

按表3中的各角度值的劃分，分別在不同照射角度下對標(biāo)準(zhǔn)色卡進(jìn)行多組重復(fù)圖像采集，對采集到的圖像進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并在MATLAB中進(jìn)行光照均勻度均值統(tǒng)計(jì)分析，在被測區(qū)域內(nèi)隨機(jī)選取多點(diǎn)利用光強(qiáng)測量儀進(jìn)行被測區(qū)域光強(qiáng)范圍統(tǒng)計(jì)測量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表3 光照均勻度與光強(qiáng)范圍

圖6 LED光源實(shí)物圖Fig.6 Physical diagram of LED light source

表4 光照均勻度與光強(qiáng)范圍

實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果相對比，光照均勻度最大誤差為3.4%，被測面光強(qiáng)范圍最大誤差為4.2%，說明仿真結(jié)果可以較好地模擬出實(shí)際實(shí)驗(yàn)條件下的光照環(huán)境。根據(jù)表4數(shù)據(jù)可得，光源在9°照射角照射下采集到的圖像與在其他角度照射下所采集到的圖像相比，光源以9°照射角照射時(shí)，被測區(qū)域的光強(qiáng)更加穩(wěn)定，均勻度更好。經(jīng)光強(qiáng)測量儀測量，穩(wěn)定工作時(shí)，被測區(qū)域的光照強(qiáng)度穩(wěn)定在438～455 lux，說明均勻照明光源設(shè)計(jì)符合無損檢測方案對圖像采集過程中照明光源的要求。

4 結(jié)論

基于TracePro的光源均勻照明模型設(shè)計(jì)，在指定場景參數(shù)下，通過對LED光源的環(huán)繞排布形式，投射角度以及實(shí)際場景的對應(yīng)調(diào)整關(guān)系進(jìn)行模擬仿真，并對各參數(shù)進(jìn)行公式描述。根據(jù)仿真結(jié)果設(shè)計(jì)加工了一種能夠適用于測量不同三維尺寸物體的照射角度可調(diào)的照明光源系統(tǒng)，搭建實(shí)驗(yàn)平臺，進(jìn)行仿真可靠性實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在垂直測量距離為500 mm，測量范圍為r=200 mm的場景下，采用4層正六邊形環(huán)繞光源，照明角度為9°時(shí)的光照均勻度最優(yōu)，且光照均勻度與光照強(qiáng)度均滿足光學(xué)無損測量方案對圖像采集光源照明系統(tǒng)的要求。