远心背光源的设计与评估

远心背光照明器是需要高对比度轮廓的机器视觉应用的理想选择，例如细节的精确测量（如螺钉上的螺纹）。远心照明器发出的准直，高度集中的光使受检零件边缘的漫反射最小。如图1和2所示，标准背光通常会产生有害的漫反射，从而降低边缘对比度。 远心背光照明的其他好处包括：由于增大了光强度，缩短了响应时间，以及物体和光源之间的距离。

图1： 远心照明器发出的准直光线（左）与标准背光源发出的漫反射光线（右）

图2： 远心光源探测到的的轮廓（左）对比标准背光源（右）

但是，如果将远心背光源与远心成像镜头配合使用，当它们没有正确配对时，辐照度可能不均匀。在这种情况下，整个传感器的峰值辐照度降低了18％。埃德蒙光学 ®利用Zemax OpticStudio®来解决特定照明器和镜头配对的均匀性问题，并设计了远心背光，该远心背光与特定的远心成像镜头匹配以产生更均匀的图像。通过使用顺序和非顺序工具与成像镜头一起设计远心照明器，可以实现在传感器的任何一点处的辐照度降低不超过10％的设计。通过这个设计过程，可以发现一些可以应用于其他光学设计的课程。

提出问题  

单独分析时，大口径远心照明器的性能非常好。最初的照明器为对象提供了均匀的照明，这是设计的目的。与Edmund Optics的0.093X远心镜头（零件编号34018）配对时，光源和远心镜头的光的空间分布不匹配。不匹配在像平面中表现为图像中的不均匀性，如图 3所示。

图3： 原始设计的测试结果，显示出辐照度不均匀的深色环形区域

远心照明器和成像镜头应同时建模以解决此问题。这将允许对两个子系统的光学扩展量进行分析，以确保在图像平面上不存在均匀性问题。以这种方式检查新设计的远心照明器将导致均匀的辐照度分布。

设计流程

首先，必须为通过/失败指标指定一个值。可以确定，传感器上任何地方的辐照度值都不能从峰值下降超过10％。设计是在OpticStudio的顺序模式下进行的，然后使用增量步骤将设计移至可以在非顺序模式下进行分析的位置。使用RMS光点大小作为品质因数对设计进行了优化。为了使设计的可制造性保持在合理范围内，在优化过程中控制了镜片的物理性能。通常怀疑长宽比和边缘厚度受到控制。优化完成后，将设计从顺序模型转换为非顺序（NSC）模型，以评估辐射性能。评估的指标是整个传感器的均匀性。如果一致性不符合规范，则可以在顺序模式下进一步完善设计。重要的是要注意，尽管照明器元件有所不同，但与之配对的远心镜头却是静止的。当设计满足跨传感器均匀性的选定度量标准时，就认为该设计已完成。

要在OpticStudio的非顺序模式下进行准确的设计分析，需要定义正确的光源分布，所有光学组件上的表面涂层以及传感器类型。因为光源的模型决定了进入系统的光的波长和能量分布，选择错误的模型将提供有关落在传感器上以进行评估的光线的错误信息。在要建模的所有元素的正面和背面都应用逼真的表面涂层，对于确保在光线由于每个表面的菲涅耳反射而裂开时损失的能量而言，至关重要。这对数据收集很有帮助，但更重要的是，可以确保模型在反映“已构建”性能时是准确的。可以使用的传感器类型有多种选择，“检测器颜色”或“检测器矩形”版本对我们的分析最有用。这两种方法允许用户确定传感器上的像素数量。“检测器颜色”可准确显示传感器上的光的颜色，而“检测器矩形”传感器不具有此功能。但是，“检测器矩形”具有显示相干和非相干数据的能力，而“检测器颜色”只能显示非相干数据。不连续的数据足以满足我们的评估目的。

搭建好分析系统后, 我们进行了光线追踪 (如图4所示）。在我们的模拟中，我们把不同光线进行分离，并把结果保存在一个数据库文件中，这样可以提高分析的速度。需要注意的是这些文件很大，所以对文件进行压缩是对数据密度和占用空间的折中。光线追踪完成之后， 你可以在探测器平面上观测辐照度。光线追踪允许使用探测器浏览器，它能在不同角度观察辐照度。图5展示了辐照图伪颜色视图。这个分析使用的是线性坐标，但是对数坐标也是可选的。正如图5所示，环形下降的问题被修正了。这个设计方案被决定为最终的制造方案。

图 4: 光线追踪的控制栏

图 5: OpticStudio 对新设计的非顺序模拟

结果展示

用蒙特卡洛模拟检查制造的公差后，我们制造了新设计的透镜。如图6所示，组装透镜的性能与模拟结果一致。通过把在顺序模式下设计透镜的能力与在非顺序模式下评估真实性能的能力相结合，OpticStudio提供了优化光源设计的所有必要工具。

虽然不是每一个光源在设计时都需要配合一个成像透镜，但是，在这个案例中，它使得产品的性能显著提升；辐照度的波动（相对于峰值）从18%减小到了≤10%。选用的发光模型同样十分重要。这一设计反映了在OpticStudio的非顺序模式下正确建模光源，涂层和传感器类型的最佳实践，这将对将来的设计有所帮助。

图 6: 新设计的实际测试结果, 辐照度的分布比之前更为均匀。