光学学报, 2020, 40 (20): 2011003, 网络出版: 2020-10-12   

机器视觉中均匀照明成像的LED环形阵列设计 下载: 1302次

LED Ring Array Design for Uniform Illumination Imaging in Machine Vision
作者单位
1 复旦大学信息科学与工程学院电光源研究所, 上海 200433
2 复旦大学工程与应用技术研究院, 上海 200433
图 & 表

图 1. 表面反射的几何形状

Fig. 1. Geometry of surface reflection

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图 2. LED环形阵列照明模型示意图

Fig. 2. Schematic of LED ring array illumination model

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图 3. LED环形阵列照明设计流程图

Fig. 3. Flow chart of LED ring array illumination design

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图 4. ρ=0°时单环不同半径的照度分布。(a)~(e)照度均匀度分别是23.85%, 22.50%, 20.35%, 17.79%, 15.51%

Fig. 4. Illumination distribution of different radius with ρ=0° in single ring. (a)--(e) Illumination uniformity is 23.85%, 22.50%, 20.35%, 17.79%, and 15.51%, respectively

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图 5. 组合A3-B1-C1-D1对应的归一化后的照度分布和中间线的照度分布。(a)照度分布;(b)中间线的照度分布

Fig. 5. Normalized illumination distribution and illumination distribution of central line corresponding to the combination of A3-B1-C1-D1. (a) Illumination distribution; (b) illumination distribution of central line

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图 6. 均匀度与照射角度的关系

Fig. 6. Relation between uniformity and irradiating angle

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图 7. 不同照射角度下的光强值。(a) ρ=0°;(b) ρ=20°;(c) ρ=40°

Fig. 7. Light intensity at different irradiating angles. (a) ρ=0°; (b) ρ=20°; (c) ρ=40°

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图 8. 20°照射角下对应的归一化照度。(a) 2D照度分布图;(b)中间线照度分布图;(c) 3D照度分布图

Fig. 8. Normalized illumination corresponding to irradiating angle of 20°. (a) 2D map of illumination distribution; (b) illumination distribution map of central line; (c) 3D map of illumination distribution

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图 9. 实验系统示意图。(a)设计的LED环形阵列;(b)实验装置

Fig. 9. Schematic of experimental system. (a) Designed LED ring array; (b) experimental setup

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图 10. 不同照明环境下的3D样品成像效果。(a)样品图像;(b)最优光环境下拍摄的图像;(c)~(f)非均匀光环境下的图像

Fig. 10. 3D sample imaging effect under different illuminating conditions. (a) Sample image; (b) image taken in optimal light environment; (c)--(f) images in non-uniform light environment

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图 11. 样品细节图。(a)最优光环境下的3D样品图像;(b)对应的灰度等级图

Fig. 11. Sample details. (a) 3D sample image in optimal light environment; (b) corresponding gray level map

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图 12. 最优光环境下对应的光斑和灰度分布。(a)光斑;(b)中心区域的3D灰度等级分布

Fig. 12. Corresponding light spot and gray distribution in optimal light environment. (a) Light spot; (b) 3D gray level distribution in central area

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表 1ρ=0°时,LED环形阵列照度均匀度分布

Table1. Illumination uniformity distribution of LED ring array at ρ=0°

βr=30 mmr=70 mmr=110 mm
863.57%63.07%57.65%
1671.58%69.30%66.71%

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表 2机器视觉光环境影响因子及其水准设置

Table2. Influence factors and level setting for machine vision light environment

SymbolParameterNumber of levelsLevel 1Level 2Level 3
Aβ381216
Br' /mm3203040
Cα3345
Dρ /(°)3153045

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表 3仿真模拟直交表

Table3. Simulation of direct intersection table

s'ABCDIllumination uniformity /%ε
1111180.7638.14
2122279.6238.02
3133377.9137.83
4212380.8238.15
5223181.4038.21
6231281.1738.19
7313280.8438.15
8321380.8238.15
9332182.2938.31

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表 4不同水准值对应的S/N值

Table4. Corresponding S/N value of different level values

Control levelABCD
137.998738.148938.160738.2211
238.183638.127838.159338.1203
338.203338.108938.065638.0442

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表 5均匀性的ANOVA结果

Table5. ANOVA results of uniformity

ParameterABCD
Sd0.02550.00080.00590.0158
Contribution /%53.101.6712.3832.85

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表 6测试灯具参数

Table6. Parameters of test luminaire

ParameterValue
Total number of LEDs96
α3
ρ /(°)20
Radius of inner ring /mm35
Radius of outer ring /mm50

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史晨阳, 林燕丹. 机器视觉中均匀照明成像的LED环形阵列设计[J]. 光学学报, 2020, 40(20): 2011003. Chenyang Shi, Yandan Lin. LED Ring Array Design for Uniform Illumination Imaging in Machine Vision[J]. Acta Optica Sinica, 2020, 40(20): 2011003.

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