CN103954559A - 多波长大功率led点光源装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及多波长大功率LED点光源装置，包括：固定环，在固定环的侧壁上，设有至少一个LED光路发生器，所述LED光路发生器包括：圆锥形连接器，其大径端朝上，小径端朝下，在所述大径端内设有LED聚光透镜，在LED聚光透镜的上方设有带散热片的大功率LED灯，所述大功率LED灯根据所需波长发出相应的波长的LED光束，所述LED光束为窄带宽的单色光，所述小径端与准直透镜连接。本发明所述的多波长大功率LED点光源装置，结构简单、体积小、重量轻，可作为小型光学检测系统的点光源，推动相关的技术产品，向轻简、便携、小型化的方向发展。

Description

多波长大功率LED点光源装置

技术领域

本发明涉及光源器件，具体说是多波长大功率LED点光源装置。

背景技术

LED发光二极管具有寿命长、耗电少、体积小、重量轻等优点，在显示、信号等方面应用越来越广泛。在一些公共场所，用LED组成阵列作广告宣传牌，用红外LED为CCD摄像机作夜视照明；在光电控制方面普遍采用LED作为发射器件。在这些应用中，通常需要发光强度越高越好，照明功率越大越好，体积越小越好，这就需要LED的聚光器件有较高的聚光效率，发出很窄的光束，以提高发光强度。

彭彦昆等使用液晶可调滤光器（LCTF）选出所需要的若干波长，用CCD相机拍摄苹果在所选各个波长处的图像，通过分析图像中光斑的扩散信息，实现苹果硬度的有效预测，但是这种方法存在检测装置体积大、重量重的问题，不适宜开发轻简、便携的检测产品。

李翠玲等采用切换窄带滤光片的方式，获得样品（猪肉样品）在所选各个波长处的图像，通过分析图像中光斑的扩散信息，来预测猪肉新鲜度指标。该研究所使用的光源为20W的卤素灯，光源发出的光通过光纤传输，照射到样品表面形成一个圆形光斑，CCD相机拍摄经过滤光后样品的图像。这种方法需要控制滤光片轮转动以实现切换滤光片的功能，这无疑增大了装置的体积，降低了工作速度。

现有的点光源多为单波长或者是带宽较宽的连续波长，并且一般无法获得多个离散波长处的扩散信息。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供多波长大功率LED点光源装置，在兼顾样品体积、装置体积的同时，实现了一次获取样品多个点处的信息，以提高检测正确率及检测速度。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：

多波长大功率LED点光源装置，其特征在于，包括：

固定环2，

在固定环2的侧壁上，设有至少一个LED光路发生器1，

所述LED光路发生器1包括：

圆锥形连接器25，其大径端朝上，小径端朝下，

在所述大径端内设有LED聚光透镜22，在LED聚光透镜22的上方设有带散热片24的大功率LED灯23，

所述大功率LED灯23根据所需波长发出相应的波长的LED光束，所述LED光束为窄带宽的单色光，

所述小径端与准直透镜21连接。

在上述技术方案的基础上，所述固定环2整体呈上小下大的多边棱台形，所述多边指至少为三边，

固定环2中部为固定环中央孔31，

在多边棱台形的固定环2的每个侧壁上设有至少一个用于装配LED光路发生器1的安装孔32，每个安装孔32内安装固定一个LED光路发生器1。

在上述技术方案的基础上，摄像机或相机的镜头通过固定环中央孔31拍摄样品的光学信号；

光纤通过固定环中央孔31靠近样品表面，将样品表面的光学信号传输到光谱仪。

在上述技术方案的基础上，当设置两个以上LED光路发生器1时，各大功率LED灯23的中心波长各不相同或相同。

在上述技术方案的基础上，LED光路发生器1的中心轴线应与安装孔中心线33在一条直线上。

在上述技术方案的基础上，经准直透镜21准直后的光束的发散角小于2°。

在上述技术方案的基础上，散热片24与圆锥形连接器25大径端的端面固定连接；

准直透镜21与圆锥形连接器25小径端螺接或卡接。

在上述技术方案的基础上，圆锥形连接器25内表面具有反光作用，使经过LED聚光透镜22聚光后的LED光束通过反射作用到达准直透镜21的入光口处。

在上述技术方案的基础上，安装孔32的直径与圆锥形连接器25小径端的直径适配。

在上述技术方案的基础上，将点光源装置中的所有LED光路发生器1分成若干组，每一组包括至少一个LED光路发生器1，

每一组中的所有LED光路发生器1的LED光束在样品表面的同一位置形成光斑，

不同组中的LED光路发生器1的LED光束在样品表面的不同位置形成光斑，且形成的光斑两两相离，互不交叠，

当两个以上的LED光路发生器1组成一组时，每一组中的各LED光路发生器1交替点亮，

同一时刻，每一组中各有一个LED光路发生器1点亮，

同一时刻需点亮的各组的LED光路发生器1，其大功率LED灯23串联连接后，通过控制电路驱动其亮灭。

在上述技术方案的基础上，根据检测对象的体积大小，通过合理设计固定环的α角、β角、γ角、距离D1和D2，调整点光源装置产生的光斑的数量、位置；

α角、β角、γ角、距离D1和D2的含义如下：

α角——固定环棱边与固定环下底面的夹角；

β角——固定环面上安装孔中心点和固定环中心顶点的连线与固定环安装孔中心线的夹角；

γ角——经过固定环面上安装孔中心点且垂直于棱边的直线与固定环安装孔中心线的夹角；

距离D1——固定环面上安装孔中心点到固定环中心顶点的距离；

距离D2——固定环面上安装孔中心点到棱边的距离。

本发明所述的多波长大功率LED点光源装置，通过选择特定波长处的大功率LED获取样品在若干离散波长处的信息，替代了切换窄带滤光片的方法，有效降低装置体积，提高了工作速度；同时，大功率LED发出的光经过聚光器件聚光，形成一束光照强度足够大、发散角度较小的光束，照射到样品（苹果、猪肉等）表面形成圆形光斑，进一步分析光斑的扩散信息，可以预测样品的某些属性。

本发明所述的多波长大功率LED点光源装置，结构简单、体积小、重量轻，可作为小型光学检测系统的点光源，推动相关的技术产品，向轻简、便携、小型化的方向发展。

本发明所述的多波长大功率LED点光源装置，可根据样品的大小，设计成在样品表面形成一个光斑或者同时形成多个光斑，多个大功率LED可交替工作，以节省时间和空间。

附图说明

本发明有如下附图：

图1本发明的结构示意图；

图2LED光路发生器的结构示意图；

图3固定环的结构示意图；

图4固定环的另一实施例；

图5六路LED光路发生器在样品表面形成一个光斑的示意图；

图6八路LED光路发生器在样品表面形成四个光斑的示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图1～4所示，本发明所述的多波长大功率LED点光源装置，包括：

固定环2，

在固定环2的侧壁上，设有至少一个LED光路发生器1，

所述LED光路发生器1包括：

圆锥形连接器25，其大径端朝上，小径端朝下，

在所述大径端内设有LED聚光透镜22，在LED聚光透镜22的上方设有带散热片24的大功率LED灯23，

所述大功率LED灯23根据所需波长发出相应的波长的LED光束，所述LED光束为窄带宽的单色光，LED光束的波长与样品（畜肉、蔬果等）品质指标的特征波长对应一致，

所述小径端与准直透镜21连接。

大功率LED灯23发出的大发散角单色光束首先经过LED聚光透镜22聚光，然后通过圆锥形连接器25内表面的反光作用把光传输到准直透镜21，最终准直后的光束的发散角小于2°，照射在样品表面形成圆形光斑，进一步分析光斑的扩散信息，可以预测样品的某些属性。

LED聚光透镜要尽可能有较高的聚光效率和较小的体积，以相同规格为佳，同样准直透镜要尽可能有较高的聚光效率和较小的体积，以相同规格为佳，可降低设计和制造难度。

在上述技术方案的基础上，所述固定环2整体呈上小下大的多边棱台形，所述多边指至少为三边，固定环可根据检测对象的大小及需求设计成不同的形状（例如四边棱台形、五边棱台形、六边棱台形、八边棱台形或更多边的棱台形），从而确保在样品表面形成所需要个数的光斑（一个或两个以上，例如三个、四个、五个、六个、八个或更多个数的光斑），

固定环2中部为固定环中央孔31，摄像机或相机的镜头可通过固定环中央孔31拍摄样品的光学信号，光纤可通过固定环中央孔31靠近样品表面，将样品表面的光学信号传输到光谱仪，

在多边棱台形的固定环2的每个侧壁上设有至少一个用于装配LED光路发生器1的安装孔32，每个安装孔32内安装固定一个LED光路发生器1，

例如：当多边棱台形为三边时，三个侧壁上各设有一个安装孔32，共计三个安装孔32，共计安装固定三个LED光路发生器1；当多边棱台形为四边时，四个侧壁上各设有一个安装孔32，共计四个安装孔32，共计安装固定四个LED光路发生器1；当多边棱台形为六边时（参见图3），六个侧壁上各设有一个安装孔32，共计六个安装孔32，共计安装固定六个LED光路发生器1；当多边棱台形为八边时（参见图4），八个侧壁上各设有一个安装孔32，共计八个安装孔32，共计安装固定八个LED光路发生器1；显然多边棱台形的边数还可以更多，相应能安装的LED光路发生器1的数量更多。

在上述技术方案的基础上，当设置两个以上LED光路发生器1时，各大功率LED灯23的中心波长各不相同或相同。

在上述技术方案的基础上，LED光路发生器1的中心轴线应与安装孔中心线33在一条直线上。每个LED光路发生器1沿安装孔中心线33在样品表面形成一个光斑，光斑的总数可以是一个或两个以上。

在上述技术方案的基础上，经准直透镜21准直后的光束的发散角小于2°，确保光束照射在样品表明形成一个直径较小的光斑（直径约为20mm圆形光斑）。

在上述技术方案的基础上，散热片24与圆锥形连接器25大径端的端面固定连接；

准直透镜21与圆锥形连接器25小径端螺接或卡接。

在上述技术方案的基础上，圆锥形连接器25内表面具有反光作用，使经过LED聚光透镜22聚光后的LED光束通过反射作用到达准直透镜21的入光口处，从而提高光效。

在上述技术方案的基础上，安装孔32的直径与圆锥形连接器25小径端的直径适配。

图3、5所示具体实施例中，固定环2为六棱台形，优选为正六棱台形，

固定环2中部为固定环中央孔31，

在固定环2的六个侧壁上各设有一个安装孔32，安装孔32的直径与圆锥形连接器25小径端的直径适配，

每个安装孔32内安装固定一个LED光路发生器1，共计可安装固定六路LED光路发生器1，六路LED光路发生器1中的各大功率LED灯23的中心波长各不相同或相同，形成六路的多波长大功率LED点光源装置，六路LED光路发生器1在样品表面形成一个光斑，该实施例中，一个光斑仅为一种可能的情况，而非限定只能形成一个光斑。

图4、6所示具体实施例中，固定环2为八棱台形，优选为正八棱台形，

固定环2中部为固定环中央孔31，

在固定环2的八个侧壁上各设有一个安装孔32，安装孔32的直径与圆锥形连接器25小径端的直径适配，

每个安装孔32内安装固定一个LED光路发生器1，共计可安装固定八路LED光路发生器1，八路LED光路发生器1中的各大功率LED灯23的中心波长各不相同或相同，形成八路的多波长大功率LED点光源装置，八路LED光路发生器1在样品表面形成四个光斑，该实施例中，四个光斑仅为一种可能的情况，而非限定只能形成四个光斑。

本发明所述的多波长大功率LED点光源装置，设有多个大功率LED灯23（3～8个，或更多），可以实现检测对象的多指标同时检测，大大提高了检测效率；本发明可以根据检测对象的大小，设计为单点检测和多点检测，灵活性比较大。

在上述技术方案的基础上，如图3～6所示，将点光源装置中的所有LED光路发生器1分成若干组，每一组包括至少一个LED光路发生器1，

例如：将六路LED光路发生器1分成两组，每组包括三个LED光路发生器1；将六路LED光路发生器1分成一组，每组包括六个LED光路发生器1（参见图3、5，形成一个光斑）；将八路LED光路发生器1分成四组，每组包括两个LED光路发生器1（参见图4、6，形成四个光斑）；

每一组中的所有LED光路发生器1的LED光束在样品表面的同一位置形成光斑，

不同组中的LED光路发生器1的LED光束在样品表面的不同位置形成光斑，且形成的光斑两两相离，互不交叠，

当两个以上的LED光路发生器1组成一组时，每一组中的各LED光路发生器1交替点亮，即：同一时刻每一组中只有一个LED光路发生器1点亮，

同一时刻，每一组中各有一个LED光路发生器1点亮，

同一时刻需点亮的各组的LED光路发生器1，其大功率LED灯23串联连接后，通过控制电路驱动其亮灭，所述控制电路根据上述控制过程，可采用现有技术实施，不再详述。

本发明所述的多波长大功率LED点光源装置，首先为了提高LED（指大功率LED灯23）发出的光的光照强度和光效，并且使LED发出的光照射到样品表面形成直径约为20mm圆形光斑，需要使LED发出的光（大发散角单色LED光束）汇聚为一束小发散角的光束。一般LED发出光的发散角为60°～180°，本发明在每个LED前端安装一个LED聚光透镜22聚光，一般LED聚光透镜的发散角为5°～160°，对于应用在小型检测仪器的情况并且最终形成的光束接近平行光，该发散角度偏大，需要再次聚光。本发明在每个LED聚光透镜前端添加准直透镜21，通过圆锥形连接器25内表面的反光作用把光传输到准直透镜21，使经过LED聚光透镜聚光后的光束变为发散角小于2°的光束，该光束照射到样品表面可形成直径较小的圆形光斑，照射在样品表面形成圆形光斑，进一步分析光斑的扩散信息，可以预测样品的某些属性。

其次，考虑检测对象的被检特征或特性可能和多个波长处的信息相关，并且可能需要一次检测样品的多个特征或特性以提高检测效率，这就需要多个波长的LED光路，本发明设计了固定环来安装固定至少3个LED光路，不同形状的固定环用于确保不同的LED光路的位姿和数量，固定环中央有一个多边形孔或圆形孔，以便于相机镜头通过该孔可以拍摄到样品的光学信息，便于光纤通过此孔靠近样品表面，将样品便面的光学信号传输到光谱仪。

根据检测对象的体积大小，本发明通过合理设计固定环的α角、β角、γ角、距离D1和D2，调整点光源装置产生的光斑的数量、位置；

α角、β角、γ角、距离D1和D2的含义如下：

α角——固定环棱边与固定环下底面的夹角；

β角——固定环面上安装孔中心点和固定环中心顶点的连线与固定环安装孔中心线的夹角；

γ角——经过固定环面上安装孔中心点且垂直于棱边的直线与固定环安装孔中心线的夹角；

距离D1——固定环面上安装孔中心点到固定环中心顶点的距离；即固定环面上安装孔中心点和固定环中心顶点的连线的长度；

距离D2——固定环面上安装孔中心点到棱边的距离（到棱边的垂点的距离）；即经过固定环面上安装孔中心点且垂直于棱边的直线的长度。

如图5、6所示，考虑检测对象的体积大小不一，光斑51的数量、位置调整可分为以下几种情况：

当检测对象的体积较小时，可以使多路LED光束在样品表面的同一位置形成光斑，通过合理设计固定环的α角(图6)、β角（图5）、γ角（图5）、距离D1（图5）和D2（图5）实现，多路LED可根据需要同时点亮或依次顺序点亮。

当检测对象的体积较大时，可以使多路LED光束垂直照射在样品表面，每一路光束在样品表面形成各自的光斑，光斑两两相离，互不交叠，固定环的α角为0°，β角为90°，γ角为90°，多路LED可根据需要同时点亮或依次顺序点亮，这种情况可以实现一次获取样品多个点处的信息，从而进一步保证检测正确率。

当检测对象的体积介于上述两何种情况之间时，可以对多路LED光束进行分组，每一组中的所有LED光束在样品表面的同一位置形成光斑，不同组在样品表面不同位置形成光斑，不同组光束的光斑两两相离，互不交叠，通过合理设计固定环的α角(图6)、β角（图5）、γ角（图5）、距离D1（图5）和D2（图5）实现，多路LED可根据需要同时点亮或者依次顺序点亮，或每一组同时有一路LED点亮，同组LED顺序依次点亮。这种情况在兼顾样品的体积的同时，尽可能实现一次获取样品多个点处的信息，以提高检测正确率。

本发明所选用的大功率LED灯23，可工作在-40℃～80℃，超出此范围发光效率将大幅降低。本发明使用了多个LED并联或串联，会产生很大的热量，如不很好的散出将严重影响光源的稳定性和发光效率，最终导致整体性能下降，基于上述原因，本发明采用了铝基板加散热片把热量导出，散热片把LED产生的热量传导到空气中，以保证LED的温度不超过临界温度，这样就可以使得LED工作更加稳定，效率也可以得到最大发挥。

本发明所述的多波长大功率LED点光源装置，采用大功率LED，LED的诸多优点使光学技术产品应用到实际生产中的可能性大大提高。主要应用在小型光学检测仪器中，一般应用在机器视觉系统和光谱检测系统。

本发明所述的多波长大功率LED点光源装置，根据被检对象的属性，有针对性的选择对应波长处的大功率LED，去除了大量的无用信息，提高了数据处理速度，简化了数据模型。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (10)

1.多波长大功率LED点光源装置，其特征在于，包括：

固定环（2），

在固定环（2）的侧壁上，设有至少一个LED光路发生器（1），

所述LED光路发生器（1）包括：

圆锥形连接器（25），其大径端朝上，小径端朝下，

在所述大径端内设有LED聚光透镜（22），在LED聚光透镜（22）的上方设有带散热片（24）的大功率LED灯（23），

所述大功率LED灯（23）根据所需波长发出相应的波长的LED光束，所述LED光束为窄带宽的单色光，

所述小径端与准直透镜（21）连接。

2.如权利要求1所述的多波长大功率LED点光源装置，其特征在于：所述固定环（2）整体呈上小下大的多边棱台形，所述多边指至少为三边，

固定环（2）中部为固定环中央孔（31），

在多边棱台形的固定环（2）的每个侧壁上设有至少一个用于装配LED光路发生器（1）的安装孔（32），每个安装孔（32）内安装固定一个LED光路发生器（1）。

3.如权利要求2所述的多波长大功率LED点光源装置，其特征在于：摄像机或相机的镜头通过固定环中央孔（31）拍摄样品的光学信号；

光纤通过固定环中央孔（31）靠近样品表面，将样品表面的光学信号传输到光谱仪。

4.如权利要求2所述的多波长大功率LED点光源装置，其特征在于：当设置两个以上LED光路发生器（1）时，各大功率LED灯（23）的中心波长各不相同或相同。

5.如权利要求2所述的多波长大功率LED点光源装置，其特征在于：LED光路发生器（1）的中心轴线应与安装孔中心线（33）在一条直线上。

6.如权利要求2所述的多波长大功率LED点光源装置，其特征在于：经准直透镜（21）准直后的光束的发散角小于2°。

7.如权利要求2所述的多波长大功率LED点光源装置，其特征在于：散热片（24）与圆锥形连接器（25）大径端的端面固定连接；

准直透镜（21）与圆锥形连接器（25）小径端螺接或卡接。

8.如权利要求2所述的多波长大功率LED点光源装置，其特征在于：圆锥形连接器（25）内表面具有反光作用，使经过LED聚光透镜（22）聚光后的LED光束通过反射作用到达准直透镜（21）的入光口处。

9.如权利要求2所述的多波长大功率LED点光源装置，其特征在于：将点光源装置中的所有LED光路发生器（1）分成若干组，每一组包括至少一个LED光路发生器（1），

每一组中的所有LED光路发生器（1）的LED光束在样品表面的同一位置形成光斑，

不同组中的LED光路发生器（1）的LED光束在样品表面的不同位置形成光斑，且形成的光斑两两相离，互不交叠，

当两个以上的LED光路发生器（1）组成一组时，每一组中的各LED光路发生器（1）交替点亮，

同一时刻，每一组中各有一个LED光路发生器（1）点亮，

同一时刻需点亮的各组的LED光路发生器（1），其大功率LED灯（23）串联连接后，通过控制电路驱动其亮灭。

10.如权利要求1所述的多波长大功率LED点光源装置，其特征在于：根据检测对象的体积大小，通过合理设计固定环的α角、β角、γ角、距离D1和D2，调整点光源装置产生的光斑的数量、位置；

α角、β角、γ角、距离D1和D2的含义如下：

α角——固定环棱边与固定环下底面的夹角；

β角——固定环面上安装孔中心点和固定环中心顶点的连线与固定环安装孔中心线的夹角；

γ角——经过固定环面上安装孔中心点且垂直于棱边的直线与固定环安装孔中心线的夹角；

距离D1——固定环面上安装孔中心点到固定环中心顶点的距离；

距离D2——固定环面上安装孔中心点到棱边的距离。