基于TracePro的發光二極管均勻照明光源設計

甘 勇， 賈崔赟

(桂林電子科技大學機電工程學院， 桂林 541004)

隨著零件加工的高精度化發展，對加工零件進行的后續無損檢測對提高生產精度，及時反饋修正生產過程中存在的誤差有著重大意義。基于光學原理的光學無損檢測由于其檢測精度高，速度快，準確性高等優點，已經成為主流的無損檢測方式[1]。在光學檢測系統中，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檢測精度。光照不均，會導致被測物體上的照明光線發生明顯的亮暗差別[2]，在被測物體表面形成局部過亮區域，致使采集到的圖像模糊，導致零件的部分三維輪廓特征丟失。目前，中外對發光二極管(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光源在各應用方面對傳統光源的替代[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。傳統的工業照明方案，普遍采用圓環形LED密集排列式光源進行照明，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，亟需針對此問題進行相關研究。

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]，設計一種角度可調照明光源系統，并對被測場景各參數進行公式描述，在實際測量中可根據相關公式計算得到被測場景最佳適配角度，在保證光照強度的同時，達到光照均勻度的最優，使物體在采集到的圖像中特征表現完好。此方案在減少光源成本的同時，大大減少實驗前的光源調整時長。在提高被測物體特征采集與識別提取精度，實現被測場景光照均勻度最優化，提高實驗效率，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光源設計

目前市場上主流的LED光源設計中，采用多個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到實驗方案所需求的光照條件，光線向四周發散。當LED燈泡過多時，在相對密閉的實驗采集環境中，由于大量燈泡的聚集發熱，會導致測量環境整體溫度升高，影響測量元件的正常運行，產生采集誤差，影響后續圖像處理結果。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位置的光源光線經罩壁反射平行出射。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燈泡的使用數量，避免光線散射進入鏡頭。

1.2 TracePro仿真

TracePro作為一種專門對光源照明進行仿真分析的光學仿真軟件，實驗者可按實際需求，根據設計方案建立合適的光學模型進行仿真[6]。方案采用拋物線式LED光源反射罩設計，燈罩內部采用完全鏡面反射(prefect mirror)，燈體選型設計為圓球點光源，在反射罩前端設計加放了菲涅爾透鏡[7]，以實現更好的聚光能力，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等功能來實現光線投射路線的捕捉顯示，最終生成光照輝度圖與分布圖。按方案設計要求，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，設計示意圖如圖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，并以此為依據進行基于理論基礎的光源排布優化。

圖2 設計方案示意圖Fig.2 Schematic diagram of design scheme

2 基于TracePro的LED光源模擬

對LED照明光源系統進行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際被測物體特征參數的對應調整關系。

2.1 光源排列層數對光照均勻度影響

傳統的環形光源排布方式中，LED光源呈圓環形環繞排布，當LED燈泡的排布過于緊密時，LED的發熱會導致光源板溫度升高，影響發光穩定，降低LED燈泡的使用壽命[8]。在實際實驗中，光源板所處工作環境是一個相對密閉空間，光源的散熱性差的會導致空間溫度升高，影響空間內采集元件的正常工作，影響圖像采集。在設計光源板時，設計了拋物線反射罩式LED燈組，在減少LED燈泡使用數量的同時，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光源的光照強度與均勻度與傳統LED燈泡密集排列方式下的效果相一致，使用的LED燈泡數目減少，能耗降低。

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

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

在預設測量半徑r=200 mm內，在MATLAB中對照度圖進行網格劃分，分別統計均值光強照度面積si，按式(1)進行總照度面積Si統計，并根據式(2)進行光照均勻度P統計[9]。

Si=si1+si2+…+sin

(1)

(2)

光照均勻度系數如表1所示

表1 不同層數光照均勻度

通過表1可得，光源層數越多，光照均勻度越好。但當光源層數大于3層時，實際光照均勻度變化幅度從2層到3層的56.69%降至10.23%，綜合經濟性與實際散熱要求，選用4層光源排列設計。

2.2 光源環繞形式對光照均勻度影響

圓環環繞式光源在檢測不同尺寸的零件時，光源投射角度不可改變，導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整投射角度的光源板，需滿足以下條件：①環繞性好；②光源照射角度可調，可按所需照射角度進行調整[10]。對所設定的r=200 mm被測面，模擬在4層光源時以不同的光源環繞形式進行照明。分別設定為正方形環繞，正六邊形環繞以及正八邊形環繞。3種光源排布方式仿真結果如圖4所示。

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

對所得光線照度圖進行均勻度計算分析，光照均勻度如表2所示。

表2 不同環繞方式光照均勻度

分析發現，當光源的環繞形狀越接近圓形時，照明效果越好，光照均勻度越好，但多邊形的形狀越復雜，光源板的結構組成會更復雜，在調整投射角度階段所需的步驟越多，會延長采集前的準備時間。綜上，為減少準備時長，提高圖像采集效率，選用正六邊環繞方式進行光源燈泡排布。

2.3 光源照射角度與實際場景的對應調整

按照上述仿真結果，在方案設計觀測高度H=500 mm，視場范圍半徑r=200 mm時，設計4層正六邊環繞式光源進行角度模擬，角度投射示意圖如圖5所示。依據光線疊加原理，照射角度應滿足以下條件：①最外層光線在投射至指定視場范圍時，應保證光照中心點位于視場范圍內；②光照疊加層數不能過多，當投射角度逐漸變化時，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光源內層光照中心需在指定視場內部。

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

由圖5中參數可確定光源板轉動角度的范圍為

(3)

式(3)中：r為被測面半徑,n為光源排列層數。由于在實際角度變化時，照射高度會隨著光源分布在不同層數的原因，照射距離發生差異，所以此時應對差異高度進行相對的誤差補償[11]。在原始光照強度為I0的實驗場景下，對光源進行分層光線疊加分析計算，在轉動過程中，各層光源對點x處的光線照射強度為

(4)

(5)

Ix(n-1)=

(6)

式中：Ix(n-1)為第n-1個光源到被觀測點的光照強度。

綜合式(4)～式(6)得m層光源整體的光線疊加關系式為

Ix=

(7)

將方案的預設參數值分別代入式(7)進行計算篩選。結果顯示，當α=9°時，視場光照均勻度與被測區域光強范圍達到最佳搭配。進行多角度模擬驗證，模擬驗證結果如表3所示

3 實驗驗證

根據2節中TracePro仿真分析所得到的結論，進行方案實驗裝置的搭建，選擇Basler acA5472型 2 000 萬像素工業相機以及相配套的高清鏡頭進行圖像采集，采用高亮度LED燈泡，4層正六邊形環繞式設計，采用標準色卡作為被測背景，光源實物圖如圖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準色卡進行多組重復圖像采集，對采集到的圖像進行網格劃分，并在MATLAB中進行光照均勻度均值統計分析，在被測區域內隨機選取多點利用光強測量儀進行被測區域光強范圍統計測量。實驗結果如表4所示。

表3 光照均勻度與光強范圍

圖6 LED光源實物圖Fig.6 Physical diagram of LED light source

表4 光照均勻度與光強范圍

實驗結果與仿真結果相對比，光照均勻度最大誤差為3.4%，被測面光強范圍最大誤差為4.2%，說明仿真結果可以較好地模擬出實際實驗條件下的光照環境。根據表4數據可得，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，被測區域的光強更加穩定，均勻度更好。經光強測量儀測量，穩定工作時，被測區域的光照強度穩定在438～455 lux，說明均勻照明光源設計符合無損檢測方案對圖像采集過程中照明光源的要求。

4 結論

基于TracePro的光源均勻照明模型設計，在指定場景參數下，通過對LED光源的環繞排布形式，投射角度以及實際場景的對應調整關系進行模擬仿真，并對各參數進行公式描述。根據仿真結果設計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的照明光源系統，搭建實驗平臺，進行仿真可靠性實驗。實驗結果表明，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層正六邊形環繞光源，照明角度為9°時的光照均勻度最優，且光照均勻度與光照強度均滿足光學無損測量方案對圖像采集光源照明系統的要求。