基于TracePro的发光二极管均匀照明光源设计

甘 勇， 贾崔赟

(桂林电子科技大学机电工程学院， 桂林 541004)

随着零件加工的高精度化发展，对加工零件进行的后续无损检测对提高生产精度，及时反馈修正生产过程中存在的误差有着重大意义。基于光学原理的光学无损检测由于其检测精度高，速度快，准确性高等优点，已经成为主流的无损检测方式[1]。在光学检测系统中，光源的光照均匀度极大程度上影响了图像采集的信息包含性以及后续检测精度。光照不均，会导致被测物体上的照明光线发生明显的亮暗差别[2]，在被测物体表面形成局部过亮区域，致使采集到的图像模糊，导致零件的部分三维轮廓特征丢失。目前，中外对发光二极管(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光源在各应用方面对传统光源的替代[3]，而光源的排布方式对照明效果的影响这一方面的研究较少。传统的工业照明方案，普遍采用圆环形LED密集排列式光源进行照明，照明模式单一且照射角度固定不变，不能适用于对不同三维尺寸零件的测量。因此，亟需针对此问题进行相关研究。

光照检测常用的照明方式有亮场照明和暗场照明两种方式。亮场照明会使物体表面反射的光线以及光源本身四散的光线进入镜头影响成像效果。综合考虑，研究方案采用下光源暗场照明[4]，设计一种角度可调照明光源系统，并对被测场景各参数进行公式描述，在实际测量中可根据相关公式计算得到被测场景最佳适配角度，在保证光照强度的同时，达到光照均匀度的最优，使物体在采集到的图像中特征表现完好。此方案在减少光源成本的同时，大大减少实验前的光源调整时长。在提高被测物体特征采集与识别提取精度，实现被测场景光照均匀度最优化，提高实验效率，完善零件加工工艺等方面具有重大意义。

1 基本原理

1.1 反射式LED光源设计

目前市场上主流的LED光源设计中，采用多个LED灯泡紧密排列的方式，这种排列方式采用大量的灯泡以达到实验方案所需求的光照条件，光线向四周发散。当LED灯泡过多时，在相对密闭的实验采集环境中，由于大量灯泡的聚集发热，会导致测量环境整体温度升高，影响测量元件的正常运行，产生采集误差，影响后续图像处理结果。反射罩式LED照明光源，采用抛物线反射式灯罩[5]，反射罩长为6 mm，两端开口圆直径分别为10.58、4 mm。抛物线反射式灯罩能够使焦点位置的光源光线经罩壁反射平行出射。反射罩的壁板采用不透光材料，并有反光涂层，使光线经反射罩聚集后直接照射在被测物体表面，提高照明效率，减少了LED灯泡的使用数量，避免光线散射进入镜头。

1.2 TracePro仿真

TracePro作为一种专门对光源照明进行仿真分析的光学仿真软件，实验者可按实际需求，根据设计方案建立合适的光学模型进行仿真[6]。方案采用抛物线式LED光源反射罩设计，灯罩内部采用完全镜面反射(prefect mirror)，灯体选型设计为圆球点光源，在反射罩前端设计加放了菲涅尔透镜[7]，以实现更好的聚光能力，投射路线如图1所示。

图1 反射罩光线投射路线Fig.1 Light projection route of reflector

TracePro仿真软件利用ray trace和irradiance maps等功能来实现光线投射路线的捕捉显示，最终生成光照辉度图与分布图。按方案设计要求，为保证光源板的位置不影响镜头的采集视野，需考虑镜头的工作距离以及视场角等因素，设计示意图如图2所示。

按图2所示建立照明几何模型，通过TracePro仿真软件进行光路模拟示踪，光照度模拟分析，获取光照辉度等信息，并以此为依据进行基于理论基础的光源排布优化。

图2 设计方案示意图Fig.2 Schematic diagram of design scheme

2 基于TracePro的LED光源模拟

对LED照明光源系统进行TracePro仿真分析，分析LED灯泡的排布方式，光源投射角度对光照均匀度的影响，讨论光源投射角度与实际被测物体特征参数的对应调整关系。

2.1 光源排列层数对光照均匀度影响

传统的环形光源排布方式中，LED光源呈圆环形环绕排布，当LED灯泡的排布过于紧密时，LED的发热会导致光源板温度升高，影响发光稳定，降低LED灯泡的使用寿命[8]。在实际实验中，光源板所处工作环境是一个相对密闭空间，光源的散热性差的会导致空间温度升高，影响空间内采集元件的正常工作，影响图像采集。在设计光源板时，设计了抛物线反射罩式LED灯组，在减少LED灯泡使用数量的同时，反光罩的聚光特性会减少光线的四射散失，既大幅减少了无用光的散射又提高了LED的光照效率。灯罩的存在使灯泡之间的距离变大，利于光源散热。经仿真分析，在同条件下的光源的定距照明效果相对比，反射罩式LED光源的光照强度与均匀度与传统LED灯泡密集排列方式下的效果相一致，使用的LED灯泡数目减少，能耗降低。

在TracePro仿真中，分别设定光源层数为1、2、3、4层，分别建立光源模型，光源最大半径为 200 mm。经仿真分析所得照度图如图3所示。图3中不同渐变色标块表示单位面积1 m2上所接收到的来自照明光源的光线数量。

W为1 m2所接受到来自照明光源的光线数量图3 不同光源层数排布以及照度图Fig.3 Graphs of different light source layers and illuminance

在预设测量半径r=200 mm内，在MATLAB中对照度图进行网格划分，分别统计均值光强照度面积si，按式(1)进行总照度面积Si统计，并根据式(2)进行光照均匀度P统计[9]。

Si=si1+si2+…+sin

(1)

(2)

光照均匀度系数如表1所示

表1 不同层数光照均匀度

通过表1可得，光源层数越多，光照均匀度越好。但当光源层数大于3层时，实际光照均匀度变化幅度从2层到3层的56.69%降至10.23%，综合经济性与实际散热要求，选用4层光源排列设计。

2.2 光源环绕形式对光照均匀度影响

圆环环绕式光源在检测不同尺寸的零件时，光源投射角度不可改变，导致均匀光照范围固定，影响采集效果。方案所需一种可灵活调整投射角度的光源板，需满足以下条件：①环绕性好；②光源照射角度可调，可按所需照射角度进行调整[10]。对所设定的r=200 mm被测面，模拟在4层光源时以不同的光源环绕形式进行照明。分别设定为正方形环绕，正六边形环绕以及正八边形环绕。3种光源排布方式仿真结果如图4所示。

图4 不同环绕排布方式照度图Fig.4 Illumination diagram of different surroundings

对所得光线照度图进行均匀度计算分析，光照均匀度如表2所示。

表2 不同环绕方式光照均匀度

分析发现，当光源的环绕形状越接近圆形时，照明效果越好，光照均匀度越好，但多边形的形状越复杂，光源板的结构组成会更复杂，在调整投射角度阶段所需的步骤越多，会延长采集前的准备时间。综上，为减少准备时长，提高图像采集效率，选用正六边环绕方式进行光源灯泡排布。

2.3 光源照射角度与实际场景的对应调整

按照上述仿真结果，在方案设计观测高度H=500 mm，视场范围半径r=200 mm时，设计4层正六边环绕式光源进行角度模拟，角度投射示意图如图5所示。依据光线叠加原理，照射角度应满足以下条件：①最外层光线在投射至指定视场范围时，应保证光照中心点位于视场范围内；②光照叠加层数不能过多，当投射角度逐渐变化时，会在某一位置由于光线叠加造成局部过亮，影响采集效果；③光源内层光照中心需在指定视场内部。

H为最外层光源到被测面的距离，R为光源半径，x为任意观测点的x坐标值，d为光源间隔，α为光源板转动角度图5 角度投射示意图Fig.5 Schematic diagram of angle projection

由图5中参数可确定光源板转动角度的范围为

(3)

式(3)中：r为被测面半径,n为光源排列层数。由于在实际角度变化时，照射高度会随着光源分布在不同层数的原因，照射距离发生差异，所以此时应对差异高度进行相对的误差补偿[11]。在原始光照强度为I0的实验场景下，对光源进行分层光线叠加分析计算，在转动过程中，各层光源对点x处的光线照射强度为

(4)

(5)

Ix(n-1)=

(6)

式中：Ix(n-1)为第n-1个光源到被观测点的光照强度。

综合式(4)～式(6)得m层光源整体的光线叠加关系式为

Ix=

(7)

将方案的预设参数值分别代入式(7)进行计算筛选。结果显示，当α=9°时，视场光照均匀度与被测区域光强范围达到最佳搭配。进行多角度模拟验证，模拟验证结果如表3所示

3 实验验证

根据2节中TracePro仿真分析所得到的结论，进行方案实验装置的搭建，选择Basler acA5472型 2 000 万像素工业相机以及相配套的高清镜头进行图像采集，采用高亮度LED灯泡，4层正六边形环绕式设计，采用标准色卡作为被测背景，光源实物图如图6所示。

按表3中的各角度值的划分，分别在不同照射角度下对标准色卡进行多组重复图像采集，对采集到的图像进行网格划分，并在MATLAB中进行光照均匀度均值统计分析，在被测区域内随机选取多点利用光强测量仪进行被测区域光强范围统计测量。实验结果如表4所示。

表3 光照均匀度与光强范围

图6 LED光源实物图Fig.6 Physical diagram of LED light source

表4 光照均匀度与光强范围

实验结果与仿真结果相对比，光照均匀度最大误差为3.4%，被测面光强范围最大误差为4.2%，说明仿真结果可以较好地模拟出实际实验条件下的光照环境。根据表4数据可得，光源在9°照射角照射下采集到的图像与在其他角度照射下所采集到的图像相比，光源以9°照射角照射时，被测区域的光强更加稳定，均匀度更好。经光强测量仪测量，稳定工作时，被测区域的光照强度稳定在438～455 lux，说明均匀照明光源设计符合无损检测方案对图像采集过程中照明光源的要求。

4 结论

基于TracePro的光源均匀照明模型设计，在指定场景参数下，通过对LED光源的环绕排布形式，投射角度以及实际场景的对应调整关系进行模拟仿真，并对各参数进行公式描述。根据仿真结果设计加工了一种能够适用于测量不同三维尺寸物体的照射角度可调的照明光源系统，搭建实验平台，进行仿真可靠性实验。实验结果表明，在垂直测量距离为500 mm，测量范围为r=200 mm的场景下，采用4层正六边形环绕光源，照明角度为9°时的光照均匀度最优，且光照均匀度与光照强度均满足光学无损测量方案对图像采集光源照明系统的要求。