CN101788115A - 多光谱均匀面光源 - Google Patents

Abstract

本发明属于光学精密测量技术领域，涉及一种多光谱均匀面光源，可用于生成多光谱均匀发光面，适用于相机等光电成像设备的像面均匀性与光谱响应检测。本发明包括机壳，以及固定在机壳内部的光源控制器与光源驱动器，还包括匀光系统和多光谱LED阵列，其中匀光系统固定在机壳的出光口上，多光谱LED阵列固定于机壳内部，多光谱LED阵列射出的多光谱光线透过匀光系统后由机壳的出光口射出。匀光板散射多光谱LED阵列发出的光线，生成多光谱的均匀朗伯面，朗伯面的照度可调，光源具有亮度高、体积小的优点，可以实现光谱轮闪与多光谱混色，可以满足光电成像系统像面均匀性与光谱动态响应的快速检测与标定需求。

Description

多光谱均匀面光源

技术领域

本发明属于光学成像测试技术领域，可用于生成多光谱均匀发光面，主要适用于相机等光电成像设备的像面均匀性与光谱响应检测。

技术背景

航天科技工业领域的光电成像系统发展迅速，当今许多新型的成像卫星平台上添加了高性能光电成像系统。光电设备作为卫星的“眼睛”，已经成为卫星上重要的有效载荷，主要用于实现对地目标的观察与测绘功能。

光电成像系统中的核心部件——高精度CCD图像传感器是由离散的光敏像元组成的。尽管现代传感器的几何尺寸精度很高，但每个像素的响应度仍有所不同，输出的图像信号势必会出现偏差；由于光学镜头的设计与加工中引起的渐晕也会影响像面亮度的变化。这两方面原因会造成光电成像系统像面的不均匀性，会影响卫星对目标的识别能力并加大了图像处理的难度。

近年来光电成像系统通常还具有多光谱成像能力，多光谱成像不仅可以根据影像的形态和结构的差异判别地物，还可以根据光谱特性的差异判别地面的物质类型。多光谱成像相机不同谱段的光谱响应度会直接影响到对地目标的光谱遥感精度，影响对地物的判别能力。

目前，星载相机的像面均匀性与光谱响应度检测与标定，需要使用积分球与多光谱光源。测试系统如图7所示，多光谱光源的出射光线经过在积分球内表面多次散射后，可形成均匀高于95％的朗伯面。调整被测相机对准积分球出口，拍摄朗伯面，通过分析相机的图像文件即可得到相机的像面均匀性。再通过调整多光谱光源的出射照度与出射光谱，分析多张不同照度条件下的相机图像，可得出相机的光谱响应度参数。

使用积分球检测相机性能的测量精度高，但是积分球的体积庞大、操作复杂，只适用于相机的实验室内检测，不能满足相机在研制、装配、调试过程中的快速检测需求。因此，针对现今的星载高分辨力多光谱成像相机，急需一种体积小、重量轻、口径大、便携性好的多光谱均匀面光源，要求其照度均匀性优于95％、出口照度线性可调、发光谱段可切换。

目前，平面显示领域中的小型面光源技术发展迅速，其中主要是基于导光板作为导光介质的面光源，专利有：ZL03101472.0、ZL03126820.X、US4714983、US4974122、US6608614B1，这些面光源具有体积小、重量轻的特点。但是由于导光板工作原理的限制，通常情况下，大口径的导光板面光源的像面均匀性在85％左右，不能满足均匀性测试的基本要求。

作为另一种广泛应用的新型照明光源，LED器件具有发光效率高、体积小、寿命长的特点。专利200810104199.7中使用散光板与曲面反光板构成面光源，具有很好的稳定性与安全可靠性，但是其中的曲面反光板加工复杂，面光源外形厚度较大。另一类LED面光源中由于使用LED阵列照明，不需要导光板或反光板，例如专利CN201057435Y采用可调恒流源驱动LED阵列，提供一种体积小、高均匀、低散热的均匀面光源，但该装置不具有多光谱特性，不能实现多种光谱响应度检测。专利CN2852594Y中，采用多种颜色的LED构成LED阵列，提供了一种色调可变的面光源，但是其采用的PWM驱动方式会使LED阵列产生高频闪烁，这种高频闪烁人眼不可察觉，但会引起被测相机的照片亮度的不稳定，影响相机测量准确性。

针对以上面光源存在的问题，本发明采用多光谱LED阵列与匀光系统生成均匀朗伯面，提供一种体积小、重量轻、均匀性好的多光谱面光源，作为积分球高精度测量手段的有益补充，满足相机均匀性与光谱响应度的快速检测与标定需求。

发明内容

本发明的目的是为了满足相机均匀性与光谱响应度的快速检测与标定需求，提出一种多光谱均匀面光源，利用匀光系统散射多光谱LED阵列发出的光线，生成多种光谱的均匀朗伯面。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

本发明的多光谱均匀面光源，包括机壳，以及固定在机壳内部的光源控制器与光源驱动器，其中光源控制器通过电路与光源驱动器连接；还包括匀光系统和多光谱LED阵列，其中匀光系统固定在机壳的出光口上，多光谱LED阵列固定于机壳内部，多光谱LED阵列射出的多光谱光线透过匀光系统后由机壳的出光口射出。

所述光源控制器可以动态切换多光谱LED阵列的发射光谱，形成光谱轮闪。

所述多光谱LED阵列由多个LED单元构成，相邻的LED单元可以按照等边三角形或正方形或六角形排列或均匀排布，每个LED单元至少由两片不同光谱的LED灯构成。

所述LED灯是单光谱LED或多光谱LED。

所述多光谱LED阵列中具有相同光谱的LED灯通过电路互相串联或并联或混联，然后通过电路与光源驱动器连接。

所述匀光系统由至少一块具有多光谱漫反射能力的透射板构成。

所述多光谱均匀面光源还可以包括操作界面，操作界面通过信号线与光源控制器连接。

所述多光谱均匀面光源还可以包括操作界面、网络、计算机，其中计算机通过网络与操作界面连接。

所述多光谱均匀面光源还可以包括装卡接口，与机壳和被测对象进光口连接。

有益效果

本发明对比已有技术具有以下显著优点：

提出一种多光谱均匀面光源，其利用多种光谱LED空间排布构成多光谱LED阵列，发出的光线经匀光系统散射后，可生成多光谱的均匀朗伯面，这是区别于已有技术的创新点之一。

通过光源控制器动态切换多光谱LED阵列的发射光谱，形成光谱频闪，可用于相机的光谱动态响应检测，这是区别于已有技术的创新点之二。

本发明特点：

1.光源机壳中的硬件只包括匀光系统与多光谱光源电路板，谱段可选择，朗伯面的照度可调，均匀性好，系统重量轻、体积小、便携性好。

2.光源可以采用稳流或稳压方式驱动多光谱LED阵列，与脉宽调制(PWM)的调光方式相比，光源亮度稳定性好。

3.光源可以通过装卡接口与被测对象进光口直接连接，光源的安装不需其他支撑机构，安装方便。同时可以防止外界光线进入被测相机的通光口径，测量过程不需要在暗室中进行。

4.使用者可以通过计算机与网络与操作界面连接，实现光源的计算机远程控制。

5、通过改变各个光谱的发光强度，可实现多光谱混色。

附图说明

图1为本发明多光谱均匀面光源的装置示意图；

图2为本发明中多光谱LED阵列的局部电路示意图；

图3为本发明实施例的系统示意图；

图4为本发明实施例中多光谱光源电路板的正面电路；

图5为本发明实施例中多光谱光源电路板的反面电路；

图6为LED灯的电路连接关系示意图；

图7为积分球测量相机均匀性的测试装置简图；

其中：1-被测相机进光口、2-装卡接口、3-匀光系统、4-多光谱光源电路板、5-机壳、6-操作界面、7-网络、8-计算机、9-电源、10-光源驱动器、11-光源驱动器、12-光源驱动器、13-光源控制器、14-多光谱LED阵列、15-工控人机界面、16-交换机、17-LED单元、18-红色LED灯、19-绿色LED灯、20-蓝色LED灯、21-近红外LED灯、22-可调恒流源、23-可调恒流源、24-可调恒流源、25-可调恒流源、26-单片机、27-串口电路、28-积分球、29-多光谱光源、30-积分球出口、31-LED灯、32-红色LED灯、33-绿色LED灯、34-蓝色LED灯、35-近红外LED灯。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

本发明的基本思想是通过光源控制器调整光源驱动器的输出电流或电流，实现多光谱LED阵列的光谱切换与光照度调节，进而借助匀光系统的漫反射特性生成多种光谱的均匀朗伯面。

实施例

本实施例是针对通光口径150mm被测相机的多光谱均匀面光源，可生成红、绿、蓝、近红外四个光谱的均匀发光面。

如图3所示，多光谱均匀面光源中包括装卡接口2、匀光系统3、多光谱光源电路板4、机壳5、15-工控人机界面、交换机16、计算机8、电源9。

其中：

装卡接口2与机壳5连接，其内沿尺寸与被测对象进光口1的外沿尺寸相同，可将整个面光源固定在被测对象进光口1上。

匀光系统3安装在机壳5的出光口上，位于被测对象进光口1与多光谱光源电路板4之间。匀光系统3选用口径180mm的圆形乳白玻璃，可散射多光谱光源电路板4发射的多光谱光线，形成多光谱的均匀朗伯面。

多光谱光源电路板4通过电缆与电源9连接，通过串口信号线与工控人机界面15连接。多光谱光源电路板4由电源9供电，在工控人机界面15的控制下可以实现发射光谱的切换与照度调节。

计算机8与工控人机界面15通过交换机16实现网络连接，计算机8上安装采用TCP/IP网络协议的控制程序，可借助交换机16向工控人机界面15发送控制指令。使用者可以在计算机8上对工控人机界面15进行远程控制，间接控制多光谱光源电路板4发射光谱的切换与照度调节。

如图4、图5所示，上述多光谱光源电路板4为200mm直径的圆形电路板，由多光谱LED阵列14、单片机26、可调恒流源22、可调恒流源23、可调恒流源24、可调恒流源25及串口电路27构成。

其中图4为多光谱光源电路板4的正面，多光谱光源电路板4的发光单元是多光谱LED阵列14，直径180mm，由36个LED单元17组成，相邻LED单元之间的水平间距与垂直间距相同。LED单元17由4种光谱的LED灯构成，4个LED灯呈正方形排列，LED灯之间的水平间距与垂直间距相同，其中红色LED灯18的波长为620nm，绿色LED灯19的波长为525nm，蓝色LED灯20的波长为465nm，近红外LED灯21的波长为850nm。

图5为多光谱光源电路板4的反面，其中的单片机26是光源控制器，可调恒流源22、可调恒流源23、可调恒流源24、可调恒流源25是光源驱动器。单片机26分别通过电路与可调恒流源22、可调恒流源23、可调恒流源24、可调恒流源25连接。单片机26可以通过串口电路27与工控人机界面15通讯，并根据串口电路27接收到的控制指令，分别配置各个可调恒流源的驱动电流值。四个可调恒流源采用恒流驱动芯片LT3598，其中可调恒流源22为多光谱光源电路板4中的36个红色LED灯提供电流、可调恒流源23为多光谱光源电路板4中的36个绿色LED灯提供电流、可调恒流源24为多光谱光源电路板4中的36个蓝色LED灯提供电流、可调恒流源25为多光谱光源电路板4中的36个近红外LED灯提供电流。

四个可调恒流源与多光谱光源电路板4中LED灯的电路连接关系如图6所示：其中6个红色LED灯串联成一组，6组串联的红色LED灯与可调恒流源22连接；6个绿色LED灯串联成一组，6组串联的绿色LED灯与可调恒流源23连接；6个蓝色LED灯串联成一组，6组串联的蓝色LED灯与可调恒流源24连接；6个近红外LED灯串联成一组，6组串联的近红外LED灯与可调恒流源22连接。

上述技术方案的优点在于：

多光谱均匀面光源利用匀光系统3散射多光谱LED阵列14发出的光线，可以生成多种光谱的均匀朗伯面，并且朗伯面的照度可调。

多光谱光源电路板4中的单片机26可以通过可调恒流源22、可调恒流源23、可调恒流源24和可调恒流源25动态切换多光谱LED阵列14的发射光谱，形成光谱轮闪。

多光谱光源电路板4中的单片机26可以通过可调恒流源22、可调恒流源23、可调恒流源24和可调恒流源25改变多光谱LED阵列14的发射光谱强度，实现多光谱混色。

光源机壳5中只包括匀光系统3与多光谱光源电路板4，系统重量轻、体积小、便携性好，通过装卡接口2可直接固定在被测对象进光口1上。装卡接口2与光源的机壳5可以防止外界光线进入被测对象进光口1，因此测试过程不需要在暗室中进行。

多光谱光源电路板4采用LT3598芯片构建可调恒流源，驱动多光谱LED阵列14，与PWM的驱动方式相比，光源亮度稳定，没有高频闪烁。

使用者可以通过工控人机界面15的操作界面控制单片机26，改变可调电流源的驱动电流，实现多光谱LED阵列14的光谱切换与光照度调节。

使用者可以通过计算机8上安装的主控程序，向工控人机界面15发送控制指令，实现光源的远程控制。

以上结合附图对本发明的具体实施方式作了说明，但这些说明不能被理解为限制了本发明的范围，本发明的保护范围由随附的权利要求书限定，任何在本发明权利要求基础上的改动都是本发明的保护范围。

Claims (9)

1.多光谱均匀面光源，其特征在于：包括机壳，以及固定在机壳内部的光源控制器与光源驱动器，其中光源控制器通过电路与光源驱动器连接；还包括匀光系统和多光谱LED阵列，其中匀光系统固定在机壳的出光口上，多光谱LED阵列固定于机壳内部，多光谱LED阵列射出的多光谱光线透过匀光系统后由机壳的出光口射出。

2.根据权利1所述的多光谱均匀面光源，其特征在于：所述光源控制器可以动态切换多光谱LED阵列的发射光谱，形成光谱轮闪。

3.根据权利1所述的多光谱均匀面光源，其特征在于：所述多光谱LED阵列由多个LED单元构成，相邻的LED单元按照等边三角形或正方形或六角形排列或均匀排布，每个LED单元至少由两片不同光谱的LED灯构成。

4.根据权利3所述的多光谱均匀面光源，其特征在于：所述LED灯是单光谱LED或多光谱LED。

5.根据权利1所述的多光谱均匀面光源，其特征在于：所述多光谱LED阵列中具有相同光谱的LED灯通过电路互相串联或并联或混联，然后通过电路与光源驱动器连接。

6.根据权利1所述的多光谱均匀面光源，其特征在于：所述匀光系统由至少一块具有多光谱漫反射能力的透射板构成。

7.根据权利1所述的多光谱均匀面光源，其特征在于：还可以包括操作界面，操作界面通过信号线与光源控制器连接。

8.根据权利1所述的多光谱均匀面光源，其特征在于：还可以包括操作界面、网络、计算机，其中计算机通过网络与操作界面连接。

9.根据权利1所述的多光谱均匀面光源，其特征在于：还可以包括装卡接口，与机壳和被测对象进光口连接。

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