【《LED智能光源控制系统设计计算案例》4800字】

LED智能光源控制系统设计计算案例目录TOC\o"1-3"\h\u6133LED智能光源控制系统设计计算案例 1243561.1LED光源特性 1138631.1.1LED电学特性 1121251.1.2LED光学特性 2320451.2光源选型 327751.3LED光源参数设计 5210511.4LED光源模型设计 71.1LED光源特性1.1.1LED电学特性PN结是构成LED的本质，PN结两端电压具有一定势垒，在对其施加正向电压后，势垒会下降。此时，P区和N区的电子互相扩散，电子靠吸收到足够能量后运动摆脱原子核的束缚，电子挣脱束缚后留下的空位会形成空穴。鉴于吸收足够的能量摆脱原子束缚的电子运动时受到的阻力小，空穴受到的阻力大于电子。因此，空穴比电子的迁移率小得多，所以会有大量电子向P区扩散。在价带上空穴会与电子复合，得到能量后以光能的形式释放，就是LED发光原理[60]。如图3-1所示。图3-1LED发光原理图LED芯片的电学特性主要体现在伏安特性（V−I）。其主要特点是具有非线性和单向导电性。给LED芯片两端的通正向偏置电压。当数值大于启动电压值，就克服PN结的势垒，使LED发光。超过限制电压值后，流过LED的正向电流会随电压的升高而迅速增大，LED的电流与电压之间的关系可用公式（3-1）来表示： （3-1）式中：n为复合因子；T是热力学温度；Is是反向饱和电流；k为玻尔兹曼常数，等于1.38×10-23J/K；q=1.6×10-19库仑，表示电子电荷量。根据LED的特性，LED的工作外部条件保持恒定时，导通之后，其正向电压微小变化都会引起电流的较大变化，从而改变LED的亮度。1.1.2LED光学特性本文主要研究可见光系列的LED，LED各光学参数特性有光通量、发光效率、发光强度、照度等[60-61]。a.光通量与发光效率光通量，指在单位时间内的光所能辐射出的所有能量，单位为流明（lm）。LED的正向导通电流升高，光通量也随之提高，但是并不能无限升高，一般LED会有一个最佳的电流值。发光效率（简称光效），是LED单位时间内的光通量与对应消耗电功率的比值，即消耗相同的电量，光效高的光源更省电。其单位是流明每瓦（lm/w）。b.发光强度发光强度，是显示发光强弱的重要指标。LED的光强定义为给定方向上的单位立体角发出的光通量，符号为I，单位是坎德拉（cd），计算公式如（3-2）所示。（3-2）式（3-2）中：dΦ是给定方向上的光通量；dΩ则是单位立体角；若指定一个球的半径r为给定方向，dS就是dΩ对应的单位面积，即单位立体角用公式（3-3）表示：（3-3）c.照度表示被照射面上，单位面积内所接收到的光通量，符号为E，单位是勒克斯（lux），用公式（3-4）表示：（3-4）光通量、发光强度和照度三者之间的关系是，发光强度是单位立体角和对应光通量的比值。照度是单位面积的光通量。1.2光源选型根据照明试验情况，照明系统采用外部光源实行照明时，视场的效果最好。配合好的光源相机能够取到清晰的图像。所以，合适的光源会让被测物在取像时具有显著对比度，提高图像采集时检测的准确率和效率。在机器视觉系统中，光源选型一般会有以下三个要求：取像时要能够突出待检测部位的特征；无阴影模糊，取得的图像有着明显的特征呈像效果；在环境光的干扰下，仍能够保证图像的稳定性；根据以上三点在光源设计时的要求，首先要对工业生产制造等各领域光源的类型进行分类选择。常见主要的光源包括：白炽灯、荧光灯、卤素灯、高压钠灯、LED光源等[62]。光源具体光学参数如表3-1所示。表3-1常用光源相关光学参数种类光效(lm/W)显色指数/Ra色温/K平均寿命/(h)白炽灯151002800~30001000荧光灯7070宽10000卤素灯301003000~35004000高压钠灯80802000~240010000LED灯100~13080~90宽100000在现实中，表3-1中的白炽灯已被基本淘汰。目前，机器视觉行业应用最多的是LED光源。固态放电的LED光源，已替代表中列举的传统光源[66]。LED使用寿命长、响应速度快（时间为纳秒级）、节能、体积小、绿色、可做成任意形状以及亮度可调等特点。LED的长处主要体现在各个方面，具有寿命长、抗震性强和维护方便的优势，在耐振动和冲击性能也要比其他种类光源更好。同时，还具有适应性强的优点；与气体放电灯相比，可更快地达到目标光通量，说明LED有更短的响应时间；LED发光角度多种多样，在光源设计中根据需要设计，使其更加便利。光源根据所要应用场合实际需求的不同进行选择。例如实验室、印染车间、流水线等。选择标准主要依据应用场景中的高对比度、强稳定性、高亮度、可预测性。因此，根据实际需求和表3-1中光源的参数进行综合比较考量，光源的主要作用体现在，照亮目标待测物，保证亮度稳定，克服其他因素的干扰，能够形成有利处理的图像效果。基于以上特征条件，依据验布机在工作状态下对于生产的各种布匹，实际情况会发生漫反射和投射现象。为了更好显现表面特征，选择确定LED为本文光源最为合适。在机器视觉应用中，LED通常制作成适用于各种不同工作场合的形状。对于不同检测对象，机器视觉系统中所应用的光源也不同。在表3-2中列举了几种典型的光源类型。表3-2常用光源形状特点种类照射特点适用场合环形光源形成幅面较大的均匀视野，提供不同照射角度、颜色组合，突出物体三维信息空间立体类物体检测和测量物体的三维信息条形光源照射角度随意可调，适合面积较大打光图像扫描检测背光源密度阵列面提供高强度背光，突出被测物外形轮廓机械零件测量及外形检测球积分光源具有积分效果的半球面内部均匀发射出光线金属、玻璃检测AOI光源不同角度的三色光照明焊锡检测线性光源用柱面透镜聚光，超高亮度流水线连续检测点光源照射距离远大功率，体积小电子元件焊点同轴光源消除物体表面不平整引起的阴影部分条码、二维码识别结构光光斑边界清晰，可实现精度照明电子元件尺寸测量除LED类型外，光源打光方式的设计也是其中重点之一。常见的打光方式有明视场和暗视场两种方式。使用方法主要是通过与待测目标之间的相互配合，来确定光源的具体位置。除这两种以外，还有其他方式，它们的优缺点如表3-3所示。通过对各种打光方式的分析，其中更适合于本文的方式是前向照明。表3-3光源打光方式类别方式优缺点明视场垂直入射背景明亮，被测目标暗淡暗视场通过周围斜射被测目标明亮，背景暗淡前向照明光源和摄像机在被测物的同侧，反射光线直接进入摄像机有利于增强图像灰度差背向照明被测物位于相机和光源中间发射光直接进入相机高角度照明与被测物夹角一般大于60度图像背景明亮，物体较暗低角度照明与被测物夹角一般小于30度图像背景较暗，物体中间明亮结构光照明固有机械结构，几何尺寸特征确定无阴影，尺寸大，通用性差漫射光照明光线经过半球形连续漫反射到被测物适合应用在表面光滑场景1.3LED光源参数设计在验布机生产制造过程中，因所采用色彩、织布方式和材料等的不同，各种不同种类的布匹导致具有各不相同的差异，为了让光源的使用具备一定的普遍性，综合实验环境，选用6500K色温的正白色LED光源。由前文中LED特性可知，其有关参数的变化和环境还有一定的关系。目前市场上光源皆由LED灯珠按一定规律方式排列，形成阵列分布形式，提高它的亮度和发光效率。考虑到应用场景，选择使用由深圳一家专门从事LED光电产品公司生产的XHS-SMD0805-IR型号贴片式白色灯珠，显色指数高达80以上，发光角度可达120度，单个光通量3流明左右。标准情况下，光强度值为650坎德拉。LED条形光源处于被测物上方夹角位置处，要使得照射在被测物上的光照均匀，而且要使照射在被测物上的光照区域集中，需改变原本发光角度为120度的辐射角度，在光源上加装透镜。透镜可以有效汇聚灯珠出射光线，但是不同角度的出光效率有一定的差别，现有30、45、60、90度等不同的出光角度。通常角度越大，光越分散；角度越小，光越聚焦。根据经验和试验情况，本文选用30°的透镜。基于以上理论分析和计算，建立光源照射模拟图，如图3-2所示。图3-2光源照射图理想照射条件下可假设条形光源与待测物的垂直距离为h，条形光源与水平线夹角为c，检测距离是L。在图3-2中，可近似当做C、D两个点表示光源在照射时光线可到达的极限位置，此时假定光源与待测物的平面之间成一定夹角。在待测物的平面上，由于LED发光的朗伯体特性，平面各点间的光强是不同的。从理想状态照射图得到，A、B光源是相对称光源。当光源A照射在物体CD面上时，亮度最大的点为C点；同理，当光源B照射在被测物CD的面上时，亮度最大的点则是D点。理想状态下的光源照射亮度假定在CD表面均匀变化，则A、B光源同时照明时，可以近似CD面的各点亮度为CD线中点E点亮度。由三角几何关系知：，=75°，三角形△CEF满足公式（3-5）。（3-5）根据上式，运算可得向量FE表达式，如式（3-6）所示。 （3-6）由几何关系可知，带入上式并化简后如式（3-7）所示。 （3-7）式（3-7）中，，。根据正弦函数，在[0,360]度区间上函数的取值是[0，1]范围，乘角a正切值后的取值范围就变为[0，0.268]。为方便计算可忽略正弦函数在FE取值的影响，则公式（3-7）可化简为公式（3-8）。 （3-8）因此，两侧单个LED条形光源的平均亮度X表达式如式（3-9）所示。（3-9）由于余弦函数在[0，360]区间是单调递减函数，由公式（3-9）可知，平均亮度与夹角d成反比，角度越大，亮度越高。故本课题的光源与被测物体的垂直距离至少是230毫米，距离h的数学表达式如公式（3-10）所示， （3-10）由公式（3-10）可求出，，因为两侧单个LED条形光源的平均亮度与d成反比，当时，平均亮度最大，所需光源灯珠数量此时最少。根据标准GB/T31831-2015中对光源照度在实验中对其平均亮度的要求要大于2000cd/m²，本课题中的条形光源的亮度可取为2000cd/m²。根据公式（3-10）求得平均亮度约等于21cd/m2。在理想照射状态分析后，需灯珠共190个，两侧光源灯珠数量各为95个。但由于实际实验中，因为纵向光源灯珠数量不是一个，导致实际光源与待测物之间垂直距离关系，H略大于h，照射实际效果图，如图3-3所示。实际照射的效果与理论存在一定的差异，因此在设计时将这种差异考虑到分析计算过程中，会降低可能存在的误差，使所设计的最终呈现效果可以最大程度的接近实际情况。图3-3实际光源照射图在图3-3中，1和2号光源表示实际照射情况，而图中光源A表示的是理想情况下的照射。由于实际情况下的照射略高于理想情况，LED光源在实际条件下亮度要小于所求得的21cd/m2。因此考虑到亮度实际情况，本课题采用300颗LED灯珠阵列组成的条形光源，两侧光源灯珠数量各为150。综上所述，两个LED条形光源共需LED光源300个。与水平面夹角为119.85和60.83度，和角度d平面间的距离为230mm。1.4LED光源模型设计（1）单个光源模型为了便于设计计算，可将LED近似为朗伯光源。因此，光强和发光角余弦值两者关系的近似方程为；（3-11）式（3-11）中，θ是发光角，是θ等于零方向上距离为r处的照度。m为光源的朗伯辐射指数，和LED芯片的生产工艺有关。当m=1时，LED可当作理想朗伯光源。受到工艺限制，其值通常大于1。由式（3-11）可知，m值越小，光照强度E会越大。其值可由公式（3-12）得到；（3-12）式（3-12）中：是光源的发光强度为最大值一半时的角度。在制作生产的时候已经确定。由公式（3-11）和公式（3-12）计算可得，当LED光照与接收面垂直时，得到光强公式为：（3-13）式（3-13）中：z表示光源到被测物体的距离；I0代表光源法线方向的光强。为了便于研究，将公式（3-13）在转换成直角坐标，假设光源平面上某一点A（x，y，z）距离被测平面z的照射面上某一点C（