CN106090700B - 超大张角多光谱朗伯面照明光源 - Google Patents

超大张角多光谱朗伯面照明光源 Download PDF

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Abstract

本发明涉及超大张角多光谱朗伯面照明光源，属于光学成像测试技术领域。本发明提出在大、小不等半球积分球交界错位处环形布局多光谱点光源阵列环带均布光源系统，使点光源阵列环带均布光源系统发出的光首先照射在大半球上，然后经大半球散射照射到积分球后半球(小半球)内表面上再经过多次散射出射超大张角高均匀的朗伯光源照明；通过多个谱段点光源循环阵列排布和光强切换，来实现超大张角多光谱朗伯面照明，实现强度和光谱的可调，生成多种光谱的均匀朗伯面照明和彩色照明。光源具有亮度高、均匀性好的优点，满足相机均匀性与光谱响应度的快速检测与标定需求。本发明可为相机等光电成像设备的像面均匀性与光谱响应检测提供全新的有效技术途径。

Description

超大张角多光谱朗伯面照明光源
技术领域
本发明属于光学成像测试技术领域，可用于生成多光谱朗伯面均匀发光面，主要适用于相机等光电成像设备的像面均匀性、光谱响应等参数的检测。
技术背景
随着航天、航空、兵器等国防科技工业领域光电成像系统的迅速发展，众多光电成像探测平台新增了高性能的光电成像系统，如大视场巡航弹制导系统、舰船车辆光电探测CCD摄像系统、星载CCD相机、载人飞船交汇对接成像系统和航空测绘相机等都配备了一系列高精度CCD固态图像传感器。
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；而且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，影响光电成像探测系统对目标的识别能力并加大了图像处理的难度，甚至产生误判。
特别是近年来，光电成像探测系统向多光谱成像和大视场探测能力方向发展。多光谱成像是将目标光波的波长分割成若干个波段，将这若干个波段的影像同时拍摄下来，再将其合成假彩色图像，使得目标与背景的差别显示出来。多光谱探测技术可以有效的识破伪装，更精确的勘察地面情况，根据光谱特性的差异甚至可以判别出物质类型。多光谱成像相机对不同谱段光波的光谱响应度会直接影响其对地目标的光谱探测精度，从而影响对地面物体的判别能力。
目前，光电成像系统的像面均匀性与光谱响应度的检测与标定，需要使用积分球与多光谱光源，特别是多光谱朗伯面照明光源系统。测试系统如图1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，可形成均匀性高于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。
使用现有积分球检测成像相机性能时，存在以下问题：
1)积分球多采用宽光谱光源系统，无法产生与多光谱相机特定谱段对应的朗伯面光源照明，难以检测成像光谱系统谱外特性等参数；
2)积分球使用的光源多数为类似太阳光谱的卤钨灯宽光谱光源，对多光谱相机而言，存在谱外响应的干扰问题；
3)多光谱积分球的光谱切换是靠更换内置或外置光源实现的，无论是内置还是外置，光源的更换过程都非常复杂，操作时间较长，无法实现多光谱快速切换；
4)常规积分球由于球内表面接收灯源的直射光，不可能提供一个均匀的朗伯面，因而其出口张角均小于90°，无法实现多光谱大口径光源照明，难以检测成像光谱系统谱外特性等参数。
针对积分球光源存在的以上问题，本发明提出在大、小不等半球积分球交界错位处环形布局多光谱点光源阵列环带均布光源系统，使点光源阵列环带均布光源系统发出的光首先照射在大半球上，然后经大半球散射照射到积分球后半球(小半球)内表面上再经过多次散射出射超大张角高均匀的朗伯光源照明；通过多个谱段点光源循环阵列排布和光强切换，来实现超大张角多光谱朗伯面照明，实现强度和光谱的可调，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检测与标定需求，提出一种超大张角多光谱朗伯面照明光源，其利用大小不等半球双半积分球散射匀光系统散射多个光谱点光源阵列发出的光线，生成多种光谱的均匀朗伯面照明和彩色照明。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
本发明的超大张角多光谱朗伯面照明光源，包括前半球缺、后半球体、法兰圆盘、挡光板、多光谱点光源环带阵列、多光谱点光源环带阵列驱动电路板、多光谱点光源亮度控制器和多光谱点光源驱动电源，其中前半球缺与后半球体相向贴合在法兰圆盘两侧，前半球缺半径大于后半球半径，多光谱点光源环带阵列分布在环带阵列驱动电路板上，多光谱点光源环带阵列驱动电路板位于法兰圆盘环带内侧，多光谱点光源亮度控制器通过电路与光源驱动器连接，驱动多光谱点光源阵列发出多光谱光线；多光谱点光源阵列射出的多光谱光线经大、小不等半球内表面多次散射后通过前半球缺中心开孔出射形成多光谱朗伯面照射，挡光板安装在前半球缺出口四周用于避免点光源对出口的直射。其中，光源驱动器采用性能稳定的恒流源或恒压源，通过改变电压或电流的大小调节多光谱点光源阵列的出射亮度。
本发明的超大张角多光谱朗伯面照明光源中，所述多光谱点光源环带阵列可以由多个点光源单元构成，相邻的点光源单元按照均匀排布。
本发明的超大张角多光谱朗伯面照明光源中，所述多光谱点光源亮度控制器可以动态切换多光谱点光源环带阵列的发射光谱，形成光谱轮闪。
本发明的超大张角多光谱朗伯面照明光源中，所述多光谱点光源环带阵列可以由多个点光源单元构成，每个点光源单元由3个不同谱段的点光源构成，相邻的点光源按照等边三角形排布。每个点光源单元可以由红色、绿色和蓝色3个谱段的点光源构成。
本发明的超大张角多光谱朗伯面照明光源中，所述多光谱点光源环带阵列可以由多个点光源单元构成，每个点光源单元由4个不同谱段的点光源构成，相邻的点光源按照正方形排列。每个点光源单元可以由红色、绿色、蓝色和近红外4个谱段的点光源构成。
本发明的超大张角多光谱朗伯面照明光源中，所述多光谱点光源亮度控制器通过多光谱点光源环带阵列驱动电路板中的点光源单元控制电路实现动态切换红色、绿色和蓝色3个谱段的点光源的发光强度，进行三元色RGB混色，形成彩色朗伯面照明
本发明的超大张角多光谱朗伯面照明光源中，所述点光源可以是单光谱LED或多光谱LED或光纤点光源。
本发明的超大张角多光谱朗伯面照明光源中，所述多光谱朗伯面照明光源的低亮度照明是通过点亮多光谱点光源环带阵列上相隔120°并分别经匀光衰减切换器衰减的三个点光源或三个点光源单元来实现的。
本发明的超大张角多光谱朗伯面照明光源，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。
本发明的超大张角多光谱朗伯面照明光源，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。
有益效果
本发明对比已有技术具有以下显著优点：
1)超大张角多光谱朗伯面照明光源可利用大小不等半球双半积分球的散射匀光系统散射多光谱LED点光源阵列发出的光线，生成多种非连续特定谱段的超大张角均匀朗伯面照明，这是区别于已有技术的创新点之一。
2)超大张角多光谱朗伯面照明光源可利用多光谱点光源亮度控制器动态控制红色、绿色和蓝色3个谱段的LED点光源的强度，进行三元色RGB混色，形成超大张角彩色朗伯面照明，这是区别于已有技术的创新点之二。
3)通过多光谱点光源亮度控制器动态切换多光谱LED点光源阵列的发射光谱，形成超大张角彩色朗伯面光谱频闪照明，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三。
本发明特点：
1)通过改变各个光谱的发光强度，可实现多光谱混色，实现超大张角真彩色朗伯面照明。
2)光源可以采用稳流或稳压方式驱动多光谱LED点光源阵列产生，与脉宽调制(PWM)的调光方式相比，光源稳定性好。
3)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。
附图说明
图1为积分球测量相机均匀性测试装置简图；
图2为本发明超大张角多光谱朗伯面照明光源装置示意图；
图3为本发明中多光谱点光源正三角形排列单元环带阵列；
图4为本发明中多光谱点光源正方形排列单元环带阵列；
图5为本发明中多光谱点光源单元控制电路示意图；
图6为本发明超大张角多光谱朗伯面照明光源系统实施例示意图；
图7为LED照明单元驱动电路板反面示意图；
图8为LED灯的电路连接关系示意图；
其中，1-后半球体、2-前半球缺、3-法兰圆盘、4-多光谱点光源环带阵列、5-多光谱点光源环带阵列驱动电路板、6-挡光板、7-多光谱点光源亮度控制器、8-多光谱点光源驱动电源、9-LED照明单元、10-红色LED灯、11-绿色LED灯、12-蓝色LED灯、13-近红外LED灯、14-光源电控柜、15-计算机控制系统、16-单片机、17-串口电路、18-可调恒流源、19-可调恒流源、20-可调恒流源、21-可调恒流源、22-红色LED灯阵列、23-绿色LED灯阵列、24-蓝色LED灯阵列和25-近红外LED灯阵列、26-被测相机进光口、27-积分球、28-多光谱光源、29-积分球出口、30-匀光衰减切换器。
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压，实现多光谱LED阵列的光谱切换与光照度调节，进而借助超大张角多光谱朗伯面照明光源系统进行多次散射生成超大张角朗伯面多光谱光源照明。
实施例
本实施例是针对通光口径300mm被测相机的超大张角多光谱朗伯面照明光源，可生成红、绿、蓝、近红外四个光谱的均匀超大张角朗伯面发光面和红、绿、蓝三色混色的彩色超大张角朗伯面照明。
如图6所示，超大张角多光谱朗伯面照明光源系统中包括后半球体1、前半球缺2、法兰圆盘3、多光谱点光源环带阵列4、挡光板5、多光谱点光源环带阵列驱动电路板6、多光谱点光源亮度控制器7、多光谱点光源驱动电源8、光源电控柜14和计算机控制系统15等构成。
其中：
后半球体1与前半球缺2相向贴合在法兰圆盘3两侧，多光谱点光源环带阵列驱动电路板6位于法兰圆盘3环带内侧，多光谱点光源亮度控制器7与光源电控柜14相连，多光谱点光源环带阵列4射出的多光谱光线经前半球缺2和法兰圆盘3的大、小不等半球内表面多次散射后通过前半球缺2中心开孔出射形成多光谱朗伯面照射。
多光谱点光源环带阵列驱动电路板6通过电缆与多光谱点光源亮度控制器7和多光谱点光源驱动电源8连接，而多光谱点光源亮度控制器7和多光谱点光源驱动电源8又连接到光源电控柜14，计算机控制系统15通过串口信号线与多光谱点光源驱动电源8连接。
多光谱点光源环带阵列驱动电路板6、多光谱点光源亮度控制器7和多光谱点光源驱动电源8均由光源电控柜14供电，计算机控制系统15通过光源电控柜14控制多光谱点光源亮度控制器7和多光谱点光源驱动电源8，再通过多光谱点光源环带阵列驱动电路板6中的点光源单元控制电路来实现超大张角朗伯面多光谱光源照明光源的产生和照度调节。
如图3所示，多光谱点光源环带阵列4由1024个LED照明单元9组成，相邻LED单元之间的水平间距与垂直间距相同。LED照明单元9可以由3种光谱的LED灯构成，3个LED灯呈三角形排列，其中红色LED灯10的波长为620nm，绿色LED灯11的波长为525nm，蓝色LED灯12的波长为465nm。
如图4所示，多光谱点光源环带阵列4由1024个LED照明单元9组成，相邻LED单元之间的水平间距与垂直间距相同。LED照明单元9可以由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10的波长为620nm，绿色LED灯11的波长为525nm，蓝色LED灯12的波长为465nm，近红外LED灯13的波长为850nm。
多光谱朗伯面照明光源的低亮度照明通过点亮多光谱点光源环带阵列4上相距120°并分别经匀光衰减切换器30衰减的三个点光源或三个点光源单元来实现的。
如图5所示，计算机控制系统15通过光源电控柜14控制多光谱点光源亮度控制器7和多光谱点光源驱动电源8，通过多光谱点光源环带阵列驱动电路板6中的点光源单元控制分别实现多光谱LED照明单元9中红色LED灯10、绿色LED灯11、蓝色LED灯12和近红外LED灯13的亮度调节。
图7为多光谱点光源环带阵列驱动电路板6的反面，由单片机16、串口电路17、可调恒流源18、可调恒流源19、可调恒流源20、可调恒流源21、红色LED灯阵列22、绿色LED灯阵列23、蓝色LED灯阵列24和近红外LED灯阵列25构成。其中的单片机16是光源控制器，可调恒流源18、可调恒流源19、可调恒流源20、可调恒流源21是光源驱动器。单片机16分别通过电路与可调恒流源18、可调恒流源19、可调恒流源20、可调恒流源21连接。单片机16可以通过串口电路17与计算机控制系统15相连，并根据串口电路17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18为多光谱点光源环带阵列4中的36个红色LED灯提供电流、可调恒流源19为多光谱点光源环带阵列4中的36个绿色LED灯提供电流、可调恒流源20为多光谱点光源环带阵列4中的36个蓝色LED灯提供电流、可调恒流源21为多光谱点光源环带阵列4中的36个近红外LED灯提供电流。
图8为四个可调恒流源与多光谱点光源环带阵列驱动电路板6中LED灯的电路连接关系图。其中6个红色LED灯串联成一组，6组串联的红色LED灯阵列22与可调恒流源18连接；6个绿色LED灯串联成一组，6组串联的绿色LED灯阵列23与可调恒流源19连接；6个蓝色LED灯串联成一组，6组串联的蓝色LED灯阵列24与可调恒流源20连接；6个近红外LED灯串联成一组，6组串联的近红外LED灯阵列25与可调恒流源21连接。
上述技术方案的优点在于：
超大张角多光谱朗伯面照明光源利用超大张角多光谱朗伯面照明光源系统进行多次散射生成超大张角朗伯面多光谱光源照明，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6中的单片机16可以通过可调恒流源18、可调恒流源19、可调恒流源20和可调恒流源21动态切换多光谱点光源环带阵列4的发射光谱，形成光谱轮闪。
多光谱光源电路板6中的单片机16可以通过可调恒流源18、可调恒流源19和可调恒流源20和可调恒流源21改变多光谱点光源环带阵列4的发射光谱强度，实现多光谱混色，出射超大张角真彩色朗伯面照明。
多光谱点光源环带阵列驱动电路板6采用LT3598芯片构建可调恒流源，驱动多光谱点光源环带阵列4，与PWM的驱动方式相比，光源亮度稳定，没有高频闪烁。
使用者可以通过计算机控制系统15的操作界面控制单片机16，改变可调电流源的驱动电流，实现多光谱点光源环带阵列4的光谱切换与光照度调节。
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 (10)

1.超大张角多光谱朗伯面照明光源，其特征在于：包括前半球缺(2)、后半球体(1)、法兰圆盘(3)、挡光板(5)、多光谱点光源环带阵列(4)、多光谱点光源环带阵列驱动电路板(6)、多光谱点光源亮度控制器(7)和多光谱点光源驱动电源(8)；其中前半球缺(2)与后半球体(1)相向贴合在法兰圆盘(3)两侧，前半球缺(2)半径大于后半球体(1)半径，多光谱点光源环带阵列(4)分布在多光谱点光源环带阵列驱动电路板(6)上，多光谱点光源环带阵列驱动电路板(6)位于法兰圆盘(3)环带内侧，多光谱点光源亮度控制器(7)通过电路与光源驱动器连接，驱动多光谱点光源环带阵列(4)发出多光谱光线；多光谱点光源环带阵列(4)射出的多光谱光线经大、小不等半球内表面多次散射后通过前半球缺(2)中心开孔出射形成多光谱朗伯面照射，挡光板(5)安装在前半球缺(2)出口四周用于避免点光源对出口的直射；其中，光源驱动器采用性能稳定的恒流源或恒压源，通过改变电压或电流的大小来调节多光谱点光源环带阵列(4)的出射亮度。
2.根据权利要求1所述的超大张角多光谱朗伯面照明光源，其特征在于：所述多光谱点光源环带阵列(4)由多个点光源单元构成，相邻的点光源单元按照均匀排布。
3.根据权利要求1所述的超大张角多光谱朗伯面照明光源，其特征在于：所述多光谱点光源亮度控制器(7)动态切换多光谱点光源环带阵列(4)的发射光谱，形成光谱轮闪。
4.根据权利要求2所述的超大张角多光谱朗伯面照明光源，其特征在于：所述多光谱点光源环带阵列(4)由多个点光源单元构成，每个点光源单元由3个不同谱段的点光源构成，相邻的点光源按照等边三角形排布。
5.根据权利要求2所述的超大张角多光谱朗伯面照明光源，其特征在于：所述多光谱点光源环带阵列(4)由多个点光源单元构成，每个点光源单元由4个不同谱段的点光源构成，相邻的点光源按照正方形排列。
6.根据权利要求4所述的超大张角多光谱朗伯面照明光源，其特征在于：每个点光源单元由红色、绿色和蓝色3个谱段的点光源构成。
7.根据权利要求5所述的超大张角多光谱朗伯面照明光源，其特征在于：每个点光源单元可以由红色、绿色、蓝色和近红外4个谱段的点光源构成。
8.根据权利要求6所述的超大张角多光谱朗伯面照明光源，其特征在于：所述多光谱点光源亮度控制器(7)通过多光谱点光源环带阵列驱动电路板(6)中的点光源单元控制电路实现动态切换红色、绿色和蓝色3个谱段的点光源的发光强度，进行三元色RGB混色，形成彩色朗伯面照明。
9.根据权利要求2所述的超大张角多光谱朗伯面照明光源，其特征在于：所述点光源可以是单光谱LED或多光谱LED或光纤点光源。
10.根据权利要求1所述的超大张角多光谱朗伯面照明光源，其特征在于：所述多光谱朗伯面照明光源的低亮度照明是通过点亮多光谱点光源环带阵列(4)上相距120°并分别经匀光衰减切换器(30)衰减的三个点光源或三个点光源单元来实现的。
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