CN111752312B - 一种距离自适应的无影灯自动调光装置 - Google Patents

一种距离自适应的无影灯自动调光装置 Download PDF

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Abstract

一种距离自适应的无影灯自动调光装置，包括无影灯本体、距离传感器、图像采集器、驱动器和处理器模块，距离传感器和图像采集器均设于无影灯本体上；驱动器与无影灯本体传动连接；距离传感器、图像采集器和驱动器均与处理器模块信号连接，以提出一种可以实现自动对焦，自动调焦的无影灯自动调光装置。

Description

一种距离自适应的无影灯自动调光装置
技术领域
本发明涉及光影灯技术领域，尤其涉及一种距离自适应的无影灯自动调光装置。
背景技术
随着科学技术的发展，医疗设备的智能化程度逐渐提高，医疗器械设备控制已逐步从手动控制走向自动控制发展。一般的无影灯无论是吸顶式的还是落地式的，使用时需要手动调节照度、色温，以及旋转手柄进行调焦，过程比较繁琐，容易造成操作者疲劳，而且还极易影响主刀医生手术操作。因此调整时间越短越好，对手术进度影响也越小。
相近方案有：①一种调节LED无影灯光斑的方法-特点在于ED光源空间分布曲率半径始终不变，通过改变透镜组合板与LED光源的距离，来调节无影灯光斑大小，但仍然是手动的。
②手术无影灯的手自一体调节光斑装置—特点在于既能手动旋转调焦手柄，又能电机带动调教手柄进行调焦，但电动调节仍然需要操纵按钮控制电机，不是全自动的。
发明内容
本发明的目的在于提出一种可以实现自动对焦，自动调焦的无影灯自动调光装置。
为达到上述目的，本发明提出距离自适应的无影灯自动调光装置，包括无影灯本体、距离传感器、图像采集器、驱动器和处理器模块；
所述距离传感器和所述图像采集器均设于所述无影灯本体上；所述驱动器与所述无影灯本体传动连接；所述距离传感器、图像采集器和驱动器均与所述处理器模块信号连接。
进一步的，所述无影灯本体包括外框、多个灯珠背板、丝杠、电机支架、升降夹板和多个灯珠；
多个所述灯珠背板围绕所述外框的内周均匀排布；多个所述灯珠背板与所述外框的连接端采用铰链连接，所述灯珠背板背向铰链连接端的一端与所述升降夹板固定连接；
所述升降夹板的中心设有螺孔，所述螺孔内旋拧有所述丝杠，所述丝杠与所述驱动器传动连接；所述驱动器通过电机支架与所述外框限位固定；
每一块所述灯珠背板上均设有至少一个所述灯珠，所述灯珠与预设于所述灯珠背板市区内高的灯珠电路板实现电连接和信号连接；
所述距离传感器和所述图像采集器均设于所述无影灯面向所述灯珠背板一侧的预设手柄内。
进一步的，所述驱动器为电机，所述电机的传动轴与所述丝杠传动连接。
进一步的，所述图像传感器为摄像机。
进一步的，所述处理器模块为PC端；所述PC端与所述距离传感器、图像采集器和驱动器实现无线连接或者有线连接；
所述PC端用于接收所述图像采集器采集的图像信息，并对所述图像信息进行分析处理；
所述PC端用于接收所述距离传感器感应的无影灯本体与光斑之间的距离信息；
所述PC端用于控制所述电机工作，带动所述无影灯本体实现位置调整。
进一步的，所述PC端对图像信息进行分析处理依次包括以下处理步骤：将灰度处理后的图像进行滤波降噪处理；将降噪后的图像进行阈值分割；对阈值分割后的图像进行形态学运算；对形态学运算后的图形进行查找边缘；将获得的边缘用矩形框画出，并得到所述矩形顶点框坐标；根据矩形框顶点坐标，确定光斑尺寸。
进一步的，确定光斑尺寸包括以下步骤：
根据相似三角形定理，可知图像尺寸与视觉尺寸的比例为：
K1＝ds/dw＝f/F
由于ds,f为相机固有参数，为已知的，故只要通过距离传感器得到物距F，即可得到K1；
由于图像采集器在水平方向和竖直方向的像素数量也是已知的为：
Pu*Pv
则可以得到目标物像素尺寸(即水平方向包含的像素个数)和图像尺寸的比例为：
K2＝Pu/ds
相机采集到光斑图像后，通过图像处理，可以得到光斑的像素尺寸为rn，则光斑的实际尺寸为：
R＝rn/(K1*K2)
其中，所述ds为图像采集器宽度，f为图像采集器焦距，即图像采集器与相机透镜中心的距离，F为物距，即相机透镜中心与目标物的距离，Dw为在物距为F时的相机视野宽度。
进一步的，所述PC端控制所述电机工作的参数计算如下：
通过预先测量，已知尺寸：r、L、R，得:
r＝a+b
Figure GDA0003931487490000041
Figure GDA0003931487490000042
R/b＝(LL-L)/LL
其中：R:光斑实际尺寸，L：物距，
Figure GDA0003931487490000043
灯珠背板倾斜角度；
从而得由于物距L变化，为保持光斑大小R不变所需要的倾斜角度为
Figure GDA0003931487490000044
设当前倾斜角为/>
Figure GDA0003931487490000045
则电机需要进给的距离：
Figure GDA0003931487490000046
设丝杠螺距为s，则电机需要转动的圈数为
n＝fz/s
公式中正负代表电机驱动丝杠移动的方向。
进一步的，所述PC端还包括建模模块，所述建模模块用于建立无影灯本体与光斑距离、光斑尺寸大小以及灯珠背板倾斜角度之间的关系模型
与现有技术相比，本发明的优势之处在于：本发明的无影灯自动调光装置通过在PC端建模，建立无影灯本体与光斑距离、光斑尺寸大小以及灯珠背板倾斜角度之间的关系模型；当距离传感器感应到设备与光斑之间的距离发生变动，距离变化，导致光斑的尺寸变化，进而图像采集器将光斑图像直接输送至PC端，通过算法获得图像中光斑尺寸，与预设尺寸进行比较；将尺寸差值转换成电机需要转动的圈数和方向，根据差值确定电机调整参数。根据电机调整参数调节灯珠背板倾斜角度；根据倾斜角度保持光斑尺寸不变和照度分布稳定。实现快速调整光斑，解决了人工频繁调整无影灯的繁琐程度，提高无影灯操作效率，并且无需手动操作，避免因接触造成污染，减少了无影灯的消毒次数，提高了无影灯调整的准确性，提高了医护人员的工作效率，降低操作无影灯对主刀医生手术的影响。
附图说明
图1为本发明无影灯的整体结构示意图；
图2为本发明无影灯的照明状态示意图；
图3为本发明无影灯自动调光装置运行流程图；
图4为本发明PC端运行流程图；
图5为本发明图像采集器图像采集参数示意图；
图6为本发明电机调整参数示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案作进一步地说明。
本发明提出一种距离自适应的无影灯自动调光装置，包括无影灯本体、距离传感器、图像采集器、驱动器和处理器模块；
如图3所示，本发明通过距离传感器和图像采集器采集光斑信号，输入至处理器模块，处理器模块根据信号信息控制驱动器调整无影灯本体来实现无影灯的自动调光。
在本实施例中，如图1所示，无影灯本体包括外框1、多个灯珠背板2、丝杠4、电机支架6、升降夹板3和多个灯珠；
多个灯珠背板2围绕外框1的内周均匀排布；多个灯珠背板2与外框1的连接端采用铰链连接，灯珠背板2背向铰链连接端的一端与升降夹板3固定连接；
升降夹板3的中心设有螺孔，螺孔内旋拧有丝杠4，丝杠4与驱动器传动连接；驱动器通过电机支架6与外框1限位固定；
每一块灯珠背板2上均设有至少一个灯珠，灯珠与预设于灯珠背板2市区内高的灯珠电路板实现电连接和信号连接；距离传感器和图像采集器均设于灯珠背板2上。
在本实施例中，驱动器为电机5，电机5的传动轴与丝杠4传动连接。图像传感器为摄像机。
在本实施例中，处理器模块为PC端；PC端与距离传感器、图像采集器和驱动器实现无线连接或者有线连接；
如图4所示，PC端用于接收图像采集器采集的图像信息，并对图像信息进行分析处理；PC端用于接收距离传感器感应的无影灯本体与光斑之间的距离信息；PC端用于控制电机5工作，带动无影灯本体实现位置调整；PC端对图像信息进行分析处理依次包括以下处理步骤：将灰度处理后的图像进行滤波降噪处理；将降噪后的图像进行阈值分割；对阈值分割后的图像进行形态学运算；对形态学运算后的图形进行查找边缘；将获得的边缘用矩形框画出，并得到矩形顶点框坐标；根据矩形框顶点坐标，确定光斑尺寸。
在本实施例中，如图5所示，确定光斑尺寸包括以下步骤：
根据相似三角形定理，可知图像尺寸与视觉尺寸的比例为：
K1＝ds/dw＝f/F
由于ds,f为相机固有参数，为已知的，故只要通过距离传感器得到物距F，即可得到K1；
由于图像采集器在水平方向和竖直方向的像素数量也是已知的为：
Pu*Pv
则可以得到目标物像素尺寸(即水平方向包含的像素个数)和图像尺寸的比例为：
K2＝Pu/ds
相机采集到光斑图像后，通过图像处理，可以得到光斑的像素尺寸为rn，则光斑的实际尺寸为：
R＝rn/(K1*K2)
其中，ds为图像采集器宽度，f为图像采集器焦距，即图像采集器与相机透镜中心的距离，F为物距，即相机透镜中心与目标物的距离，Dw为在物距为F时的相机视野宽度。
在本实施例中，如图6所示，PC端控制电机工作的参数计算如下：
通过预先测量，已知尺寸：r、L、R，得:
r＝a+b
Figure GDA0003931487490000071
Figure GDA0003931487490000072
R/b＝(LL-L)/LL
其中：R:光斑实际尺寸，L：物距，
Figure GDA0003931487490000073
灯珠背板倾斜角度；
从而得由于物距L变化，为保持光斑大小R不变所需要的倾斜角度为
Figure GDA0003931487490000074
设当前倾斜角为/>
Figure GDA0003931487490000075
则电机需要进给的距离：
Figure GDA0003931487490000076
设丝杠螺距为s，则电机需要转动的圈数为
n＝fz/s
公式中正负代表电机驱动丝杠移动的方向。
在本实施例中，PC端还包括建模模块，建模模块用于建立无影灯本体与光斑距离、光斑尺寸大小以及灯珠背板2倾斜角度之间的关系模型。
在本实施例中，本发明的工作原理如图4所示：首先，如图2所示，由于灯珠在灯珠背板2上呈环形排列，光束在一定距离内形成交叉，当术区与无影灯距离发生改变，要使光斑仍然保持以最佳照明状态覆盖在术野区，灯珠背板2需要调整到合适的倾斜角度；因此，本发明根据实际的无影灯型号，在PC端的建模模块首先建立无影灯本体与光斑距离、光斑尺寸大小以及灯珠背板2倾斜角度之间的关系模型，然后距离传感器获取到光斑与装置之间距离发生变化后，则会导致光斑的尺寸也相应的发生变化，进而触发摄像机的摄像功能，获取光斑图像传输至PC端，PC端对光斑图像进行处理后，计算当前光斑尺寸与预设光斑尺寸的差值，通过一定的算法转换，把尺寸差值转化为电机5调整参数，启动电机5，电机5带动丝杠4转动，丝杠4带动升降夹板3实现上下位置的位移，升降夹板3则带动灯珠背板2围绕与外框1之间相连的铰链实现斜度的调整，从而最终带动灯珠进行角度的调整，直至产生的光斑与预设光斑的大小相同。
上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种距离自适应的无影灯自动调光装置，其特征在于，包括无影灯本体、距离传感器、图像采集器、驱动器和处理器模块；
所述距离传感器和所述图像采集器均设于所述无影灯本体上；所述驱动器与所述无影灯本体传动连接；所述距离传感器、图像采集器和驱动器均与所述处理器模块信号连接；
所述无影灯本体包括外框、多个灯珠背板、丝杠、电机支架、升降夹板和多个灯珠；
多个所述灯珠背板围绕所述外框的内周均匀排布；多个所述灯珠背板与所述外框的连接端采用铰链连接，所述灯珠背板背向铰链连接端的一端与所述升降夹板固定连接；
所述升降夹板的中心设有螺孔，所述螺孔内旋拧有所述丝杠，所述丝杠与所述驱动器传动连接；所述驱动器通过电机支架与所述外框限位固定；
每一块所述灯珠背板上均设有至少一个所述灯珠，所述灯珠与预设于所述灯珠背板市区内高的灯珠电路板实现电连接和信号连接；
所述距离传感器和所述图像采集器均设于所述无影灯面向所述灯珠背板一侧的预设手柄内；
所述处理器模块为PC端；所述PC端与所述距离传感器、图像采集器和驱动器实现无线连接或者有线连接；
所述PC端用于接收所述图像采集器采集的图像信息，并对所述图像信息进行分析处理；
所述PC端用于接收所述距离传感器感应的无影灯本体与光斑之间的距离信息；
所述PC端用于控制所述电机工作，带动所述无影灯本体实现位置调整；
所述PC端控制所述电机工作的参数计算如下：
通过预先测量，已知尺寸：r、L、R、c，且存在以下几何关系:
r＝a+b
Figure FDA0004245480170000021
Figure FDA0004245480170000022
R/b＝(LL-L)/LL
其中：R:光斑实际尺寸，L：物距，
Figure FDA0004245480170000023
灯珠背板倾斜角度；a为外框边缘到灯珠背板最边缘的水平线长度；b为灯珠背板最边缘的光线到无影灯中心点垂直线的水平距离；c为灯珠背板的外边沿至外框外边缘的斜边长度；r为外框边缘到无影灯中心点垂直线的水平距离；LL为两侧灯珠背板最边缘的灯珠光线的交汇点外框底部水平面之间的距离；
从而得由于物距L变化，为保持光斑大小R不变所需要的倾斜角度为
Figure FDA0004245480170000024
设当前倾斜角为/>
Figure FDA0004245480170000025
则电机需要进给的距离：
Figure FDA0004245480170000026
设丝杠螺距为s，则电机需要转动的圈数为
n＝fz/s
公式中正负代表电机驱动丝杠移动的方向。
2.根据权利要求1所述的距离自适应的无影灯自动调光装置，其特征在于，所述驱动器为电机，所述电机的传动轴与所述丝杠传动连接。
3.根据权利要求1所述的距离自适应的无影灯自动调光装置，其特征在于，所述图像采集器为摄像机。
4.根据权利要求1所述的距离自适应的无影灯自动调光装置，其特征在于，所述PC端对图像信息进行分析处理依次包括以下处理步骤：将灰度处理后的图像进行滤波降噪处理；将降噪后的图像进行阈值分割；对阈值分割后的图像进行形态学运算；对形态学运算后的图形进行查找边缘；将获得的边缘用矩形框画出，并得到所述矩形顶点框坐标；根据矩形框顶点坐标，确定光斑尺寸。
5.根据权利要求4所述的距离自适应的无影灯自动调光装置，其特征在于，确定光斑尺寸包括以下步骤：
根据相似三角形定理，可知图像尺寸与视觉尺寸的比例为：
K1＝ds/dw＝f/F
由于ds,f为相机固有参数，为已知的，故只要通过距离传感器得到物距F，即可得到K1；
由于图像采集器在水平方向和竖直方向的像素数量也是已知的为：
Pu*Pv
Pu*Pv是表示相机图像采集器的分辨率，即相机所拍摄图片的水平方向有Pu个像素，垂直方向有Pv个像素；
则可以得到目标物像素尺寸和图像尺寸的比例为：
K2＝Pu/ds
相机采集到光斑图像后，通过图像处理，可以得到光斑的像素尺寸为rn，则光斑的实际尺寸为：
R＝rn/(K1*K2)
其中，所述ds为图像采集器宽度，f为图像采集器焦距，即图像采集器与相机透镜中心的距离，F为物距，即相机透镜中心与目标物的距离，dw为在物距为F时的相机视野宽度。
6.根据权利要求1所述的距离自适应的无影灯自动调光装置，其特征在于，所述PC端还包括建模模块，所述建模模块用于建立无影灯本体与光斑距离、光斑尺寸大小以及灯珠背板倾斜角度之间的关系模型。
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