CN103511924A - 一种用于线扫描ccd成像的led均匀光源 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于线扫描CCD成像的LED均匀光源，属于光电仪器技术领域。该光源采用圆筒型漫反射式的结构设计，不仅适合线扫描相机CCD的成像，而且能够有效地提高光照区域光照度的均匀性。同时采用双排LED光学模块的结构设计，由多颗LED按一定形式排列后形成的LED灯组作为光源，并保证每个LED光源的颜色值具有良好的一致性，配合其光谱特性，保证该光源可以提供可见光范围的均匀宽带白光，提高显色性；同时由于LED的可控性，能够保证光照及显色的稳定性。为适应线扫描CCD成像，在圆筒漫反射光学模块的圆周上进行水平截面后加工透光条形孔，同时在水平截面的内表面喷涂黑漆，可大大减少进入镜头的杂散光。

Description

一种用于线扫描CCD成像的LED均匀光源

技术领域

本发明涉及一种光源，具体涉及一种用于线扫描CCD成像的LED均匀光源，属于光电仪器技术领域。

背景技术

LED是2l世纪具有竞争力的新型固体光源，它具有效率高、光色纯、能耗低、寿命长、可靠耐用、无污染、控制灵活等优点。由于单个LED的发光效率有限，目前在采用LED作为光源的照明系统中，一般都是将多个LED以一定的形状阵列，并设计相应的光学系统来实现目标平面的特定光照分布，而在目标平面实现光照的均匀分布运用最为广泛。

目前，为使采用LED作为光源的照明系统能够产生均匀光源，所采用的方案主要分为以下几种：

（1）制造自由曲面反射器，如专利US20060506977提供的可均匀发光的节能光源，该光源下部是半球形反射镜，平面向上，上部是呈喇叭状的无顶圆锥型反射镜。两个反射镜的焦点在半球中心，在这个焦点放置LED，LED发出的光线在反射镜之间多次反射后向上出射出均匀光束。但自由曲面反射器加工较为困难，不适合在工业上推广运用。

（2）使用光纤，将光束准直入光纤然后引导到被照面；如专利CN1147310中采用光纤矩阵显示系统的反射器组,设计用来改进光发射单元和输入矩阵之间光能的耦合效率,同时通过它们各自的反射面给一个或多个输入矩阵提供均匀照明。但光纤能量较小，且造价高，大多用于制作成家庭台灯，不适宜工业运用。

（3）在灯前段加磨砂灯罩使光向各方向散射，如专利US201113274312提供的可均匀发光的节能光源，在该专利文件中将光源设计成半个椭球型灯罩，灯罩底部是透光板，顶部搁置发光灯泡，灯罩吊有抛物线型和非线性型反射镜，灯罩底部还安装了一个圆锥型反射镜，最后可以在照明区域形成均匀照明。但该种方案导致光源能量发散，单位面积的能量减少，能量利用率降低。

由于线扫描CCD成像对光源的均匀性要求更高，其单一方向上灰度变化更容易被觉察。上述几种方案多用于室内外照明光源，其均匀性是依据该光源在工作面的照度均匀度得出的，计算时选择工作面上的9或16个点为照度采样点进行照度均匀性的计算，对照度均匀性的要求较低，不适用于线扫描CCD成像。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种用于线扫描CCD成像的LED均匀光源，能够在光照区域产生稳定均匀的光照，且能够保证光照及显色的稳定性，适用于线扫描相机CCD的成像。

所述LED均匀光源包括：圆筒漫反射光学模块和两个LED光源模块；所述圆筒漫反射光学模块为金属材料制成的空心密闭结构，其轴向端面为五分之四至二分之一圆周；在与圆筒漫反射光学模块弧形内表面相对的底平面均匀喷涂黑漆，其余内表面均匀喷涂聚四氟乙烯白漆；在所述圆筒漫反射光学模块的两个轴向端面上分别加工有LED光源模块的安装孔，弧形外表面的中心位置加工有圆孔，底平面上与该圆孔对应的位置加工有条形孔。

每个LED光学模块由两个以上LED灯组并联后形成，所述每个LED灯组由两颗以上相同的LED灯串联形成；所述两个LED光学模块分别通过圆筒漫反射光学模块轴向端面上的安装孔固定在圆筒漫反射光学模块内部，两个LED光学模块均平行与圆筒漫反射光学模块的轴线，且沿圆筒漫反射光学模块的中心线左右对称；保证每个LED光学模块中所有LED灯的光照方向为水平朝向其所在侧的圆柱面。

所述LED光学模块的引信从圆筒漫反射光学模块轴向端面上的安装孔引出；在所述圆筒漫反射光学模块上LED光学模块的安装孔处固定遮挡板以保证圆筒漫反射光学模块内部空间密闭。

保证所述LED光学模块中每个LED灯的光谱曲线差异系数均小于3；所述光谱曲线差异系数CV的计算公式为：

$\mathrm{CV}=100\frac{\frac{\sqrt{{\mathrm{\Σ}}_{{\mathrm{\λ}}_1}^{{\mathrm{\λ}}_M}{(P_{{\mathrm{\λ}}_i}-\stackrel{\‾}{P_{{\mathrm{\λ}}_i}})}^2}}{M}}{\stackrel{\‾}{P_{\mathrm{\λ}}}}$

其中:N为两个LED光学模块中LED灯的总个数，N为大于等于2的偶数；每颗LED灯的波长范围均为(λ_minλ_max);λ₁，λ₂…λ_M为在所述波长范围随机选出的M个波长值；

为当前计算的LED灯在所选取波长λ_i处的功率值；

为所述N颗LED灯在波长λ_i处的平均功率值，

为所述N颗LED灯的平均光谱在整个波长范围内的平均值， $\stackrel{\‾}{P_{\mathrm{\λ}}}=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{{\mathrm{\λ}}_1}^{{\mathrm{\λ}}_M}\stackrel{\‾}{P_{{\mathrm{\λ}}_i}}}{M}.$

有益效果

（1）该光源采用圆筒型漫反射式的结构设计，使其在小区域的照明范围内得到高光通量和高均匀性的光照，从而适合线扫描相机的CCD成像。

（2）采用多颗LED形成的LED灯组作为光源，并保证每个LED光源的颜色值具有良好的一致性，配合其光谱特性，保证该光源可以提供可见光范围的均匀宽带白光，提高显色性；同时由于LED的可控性，能够保证光照及显色的稳定性。

（3）采用双排LED光学模块的结构设计，配合圆筒结构的漫反射，能够得到均匀有效的光照。

（4）适合线扫描CCD成像的透光条形孔的结构设计，是在圆筒漫反射光学模块的圆周上进行水平截面后加工而成，同时在水平截面的内表面喷涂黑漆，可大大减少进入镜头的杂散光。

附图说明

图1为该LED光源的结构图；

图2为该LED光源的剖面图；

图3为采用该光源进行数码相机颜色标准化的工作原理图。

其中：1-圆筒漫反射光学模块、2-LED光源模块、3-标准色卡、4-载物平移台

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本实施例提供一种用于线扫描CCD成像的LED均匀光源，该光源能够产生均匀稳定的照明光束，且结构简单、造价低、光能利用率高。

该圆筒光源的具体结构如图1和图2所示，包括圆筒漫反射光学模块1和两个LED光源模块2。本实施例中圆筒漫反射光学模块1为以2mm厚的铝板制成的2/3圆柱体，即其横截面为2/3圆，该2/3圆柱体为空心密闭结构。在该圆柱体内表面的底面（水平面）喷涂普通黑漆，其余内表面均喷涂聚四氟乙烯漆，以形成漫反射。圆筒漫反射光学模块1的两个轴向端面上分别加工有LED光源模块2的安装孔，其上表面（圆周面）的中心位置加工有直径为100mm的圆孔，底面上与该圆孔相对的位置加工有宽90mm、长600mm的条形孔。

本实施例中每个LED光学模块2由18颗LED灯组成，其中每6颗LED灯串联为一组，然后将3组LED灯并联。为保证LED光学模块产生的光源颜色值能够保证良好的一致性，本实施例中通过计算光谱曲线差异系数对LED光学模块中的每一颗LED灯（单管LED二极管）进行筛选，所述光谱曲线差异系数用来衡量单颗LED的光谱与平均光谱之间的差异。具体为：选择100颗型号相同的LED灯，每颗LED灯的波长范围为380nm-780nm。分别测量每颗LED灯的光谱曲线，所述光谱曲线的横坐标为波长，纵坐标为功率值。在每颗LED灯的光谱曲线中每间隔1nm取其功率值，计算所述100颗LED灯在每个所取波长下的平均功率值，绘制出100颗LED灯的平均光谱曲线；然后将每颗LED灯的光谱曲线与其平均光谱曲线进行比对，计算每颗LED灯的光谱曲线差异系数CV，选取差异系数CV小于3的LED灯用于制作LED光学模块。

所述光谱曲线差异系数CV的计算公式为：

$\mathrm{CV}=\frac{\sqrt{\frac{{\mathrm{\Σ}}_{380}^{780}{(P_{\mathrm{\λi}}-\stackrel{\‾}{P_{\mathrm{\λi}}})}^2}{401}}}{\stackrel{\‾}{P_{\mathrm{\λ}}}}$

其中：P_λi为当前计算的LED灯在波长λi处的功率值，

为平均光谱曲线中波长λ_i处的功率值（即所述100颗LED灯在波长λ_i处平均功率），

为所述100颗LED灯的平均光谱在整个波长范围内的平均值，

采用该种方法选的LED灯相关系数最小（即光谱曲线最接近），能够保证LED光学模块产生的光源颜色值能够保证良好的一致性。

两个LED光学模块2分别通过圆筒漫反射光学模块1轴向端面上的安装孔固定在圆筒漫反射光学模块1内部，两个LED光学模块2均平行与圆筒漫反射光学模块1的轴线，且沿圆筒漫反射光学模块1的竖直中心线左右对称。同时保证每个LED光学模块2中所有LED灯的光照方向为水平朝向其所在侧的圆柱面，以形成漫反射。所述LED光学模块2的引信从圆筒漫反射光学模块1上的安装孔引出。在圆筒漫反射光学模块1上LED光学模块2的安装孔处，通过与安装孔相同大小的铝板遮挡并用螺丝固定。

采用线扫描CCD成像对CCD相机进行标准化时对显色指数有较高要求，而该光源的颜色参数（色温、显色指数、色品坐标）可以被控制（即依据实际需要选择LED光学模块）；同时其光照及显色的稳定性，使其能够很好的运用于线扫描CCD成像。

采用该光源通过线扫描CCD成像对彩色CCD相机进行标准化的原理为：

首先接通LED光学模块2的电源，LED光学模块2发射的原始光束在圆筒漫反射光学模块1的内圆周面上发生漫反射，并从其下方的条形孔射出均匀的照明光束。然后将固定有标准色卡的载物平移台放置在该光源的下方，使标准色卡位于照明区域（即圆筒漫反射光学模块1下方的条形孔处）；将待标准化的彩色CCD相机的镜头对准圆筒漫反射光学模块1圆周面中心的开孔处。载物平移台在平台驱动器的驱动下沿水平方向来回移动，彩色CCD相机通过该光源对标准色卡扫描成像，计算机通过CCD接口采集彩色CCD相机拍摄的标准色卡的图像，获取图像像素值（可计算出RGB值）。然后存储标准色卡中每中颜色的RGB值，并建立RGB-XYZ查找表，利用该查找表进行相机颜色的标准化，如图3所示。

在此过程中需要光源均匀照射在色卡上，保证相机拍摄标准色卡得到的颜色具有较好的重复性和一致性。这样建立的查找表才能有效体现相机的颜色特性，以达到相机特性化的目的。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种用于线扫描CCD成像的LED均匀光源，其特征在于，包括：圆筒漫反射光学模块和两个LED光源模块；所述圆筒漫反射光学模块为金属材料制成的空心密闭结构，其轴向端面为五分之四至二分之一圆周；在与圆筒漫反射光学模块弧形内表面相对的底平面均匀喷涂黑漆，其余内表面均匀喷涂聚四氟乙烯白漆；在所述圆筒漫反射光学模块的两个轴向端面上分别加工有LED光源模块的安装孔，弧形外表面的中心位置加工有圆孔，底平面上与该圆孔对应的位置加工有条形孔；

每个LED光学模块由两个以上LED灯组并联后形成，所述每个LED灯组由两颗以上相同的LED灯串联形成；所述两个LED光学模块分别通过圆筒漫反射光学模块轴向端面上的安装孔固定在圆筒漫反射光学模块内部，两个LED光学模块均平行与圆筒漫反射光学模块的轴线，且沿圆筒漫反射光学模块的中心线左右对称；保证每个LED光学模块中所有LED灯的光照方向为水平朝向其所在侧的圆柱面；

所述LED光学模块的引信从圆筒漫反射光学模块轴向端面上的安装孔引出；在所述圆筒漫反射光学模块上LED光学模块的安装孔处固定遮挡板以保证圆筒漫反射光学模块内部空间密闭。

2.如权利要求1所述的用于线扫描CCD成像的LED均匀光源，其特征在于：保证所述LED光学模块中每个LED灯的光谱曲线差异系数均小于3；所述光谱曲线差异系数CV的计算公式为：

$\mathrm{CV}=100\frac{\frac{\sqrt{{\mathrm{\Σ}}_{{\mathrm{\λ}}_1}^{{\mathrm{\λ}}_M}{(P_{{\mathrm{\λ}}_i}-\stackrel{\‾}{P_{{\mathrm{\λ}}_i}})}^2}}{M}}{\stackrel{\‾}{P_{\mathrm{\λ}}}}$

其中:N为两个LED光学模块中LED灯的总个数，N为大于等于2的偶数；每颗LED灯的波长范围均为(λ_min，λ_max);λ₁，λ₂…λ_M为在所述波长范围随机选出的M个波长值；为当前计算的LED灯在所选取波长λ_i处的功率值；为所述N颗LED灯在波长λ_i处的平均功率值，

为所述N颗LED灯的平均光谱在整个波长范围内的平均值， $\stackrel{\‾}{P_{\mathrm{\λ}}}=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{{\mathrm{\λ}}_1}^{{\mathrm{\λ}}_M}\stackrel{\‾}{P_{{\mathrm{\λ}}_i}}}{M}.$

3.如权利要求1所述的用于线扫描CCD成像的LED均匀光源，其特征在于：所述圆筒漫反射光学模块的轴向端面为三分之二圆周。

4.如权利要求1所述的用于线扫描CCD成像的LED均匀光源，其特征在于：所述每个LED光学模块包括3个LED灯组，每个LED灯组包括6颗LED灯。

5.如权利要求1所述的用于线扫描CCD成像的LED均匀光源，其特征在于：所述LED光学模块中每颗LED灯的波长范围为380nm-780nm。

6.如权利要求1所述的用于线扫描CCD成像的LED均匀光源，其特征在于：所述圆筒漫反射光学模块采用铝板制成。

7.如权利要求1所述的用于线扫描CCD成像的LED均匀光源，其特征在于：所述圆筒漫反射光学模块上条形孔的长度大于圆孔的直径。

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