CN114222395A - 一种光源系统、光谱的控制方法 - Google Patents

一种光源系统、光谱的控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种光源系统，包括若干波段的光源、若干通道的驱动装置、混光装置、光谱传感器、控制器、上位机；所述光源用于发出光谱成分可调节的光；所述驱动装置用于驱动光源的每个光谱通道输出具有一定辐照度的光；所述混光装置用于将不同光谱通道输出的光混合均匀；所述传感器用于测量光源输出光的光谱成分；所述上位机用于设定目标光谱，以及显示所述传感器测量的光谱；所述控制器用于根据所述传感器测量的光谱和用户设定的目标光谱调节各光谱通道的驱动装置生成直流电驱动信号。

Description

一种光源系统、光谱的控制方法
技术领域
本发明属于光源控制技术领域，是一种用于机器视觉照明的一种光源系统、光谱的控制方法。
背景技术
LED光源具有光效高、可控性强、可选颜色范围广、可靠性高等诸多优点。基于这些特性，现有技 术中提出了三种主要类型的控制光源的方法。第一种是针对单色或单通道LED光源的控制方法，只能调节 光源输出的光强。第二种是针对双色、即冷白光和暖白光两种通道的LED光源的控制方法，可以调节光源 输出的光强、以及光的色温。第二种是针对多色、通常是RGB三通道或者RGB加一路白光四通道的LED光 源的控制方法，可以调节光源输出的光强、以及光的颜色。
然而，上述现有技术尚未解决控制具有多种光谱通道的LED光源输出的光谱成分的问题。这种控制 问题比上述控制光强或光色更复杂的问题更具挑战性，因为多光谱光源通常具有更多的通道，而且控制光 谱成分需要调节比光强或光色多得多的控制变量。
多光谱光源可以应用于机器视觉、医学诊断成像等诸多领域。这些应用也对光源输出的光谱成分的 精度提出了更高的要求。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提出的一种光源系统、以及光谱的控制方法，解决了现有技术只 能调节多通道光源输出的光色或色温，无法准确控制多通道光源输出的光谱成分的问题。
本发明提供一种光源系统，包括若干波段的光源、若干通道的驱动装置、混光装置、光谱传感器、 控制器、上位机；所述光源用于发出光谱成分可调节的光；所述驱动装置用于驱动光源的每个光谱通道输 出具有一定辐照度的光；所述混光装置用于将不同光谱通道输出的光混合均匀；所述传感器用于测量光源 输出光的光谱成分；所述上位机用于设定目标光谱，以及显示所述传感器测量的光谱；所述控制器用于根 据所述传感器测量的光谱和用户设定的目标光谱调节各光谱通道的驱动装置生成直流电驱动信号。
进一步地，所述光源由至少两个不同波段的LED芯片构成，所述波段可选的波长范围包括400-470nm、 500-580nm、600-670nm、730-850nm。
进一步地，所述驱动装置包括微处理器、多个通道的恒流驱动器，所述多个通道的恒流驱动器输出 多个通道的直流电流驱动所述光源的多个波段通道，所述微处理器输出多个通道的脉冲宽度调制信号调节 所述多个通道的恒流驱动器输出的电流幅值。
进一步地，所述混光装置包括准直透镜、扩散罩。
一种光谱的控制方法，包括以下步骤：
S0、驱动光源，通过多个通道的驱动信号驱动多个光谱通道的LED芯片，使每个光谱通道发出具有 一定辐照度的光；
S1、测量多个通道的光混合后输出的光谱；
S2、控制光源，采用控制算法根据所述测量光谱和用户设定的目标光谱计算多个光谱通道的控制信 号；
S3、通过所述多个光谱通道的控制信号调节所述多个光谱通道的驱动信号。
进一步地，在步骤S0中，所述多个通道的驱动信号为直流电流，在步骤S0中还包括通过多个通道 的脉冲宽度调制信号调节所述直流电流的幅值。
进一步地，在步骤S2中，建立光源输出光谱的计算模型包括以下步骤：
S211、采用标准光谱仪分别测量并记录每个光谱通道的LED芯片的输出光谱，记为li(λ)，其中λ表 示在380nm-900nm范围内取值的一个波长采样点，下标i表示第i个光谱通道；
S212、根据以下公式计算n个光谱通道的光混合后的输出光谱在波长λ的辐照度，记为y(λ)：
Figure BDA0003433832630000021
其中，ui表示第i个光谱通道的驱动电流的幅值，单位是安培，ki表示输入驱动电流为1安培时第i个光 谱通道在波长λ的辐照度值。
进一步地，在步骤S2中，计算多个光谱通道的控制信号包括以下步骤：
S221、获取权利要求7所述的光源输出光谱y(λ)的公式；
S222、获取用户设定的目标光谱，记为t(λ)；
S223、求解以下优化问题，获取所有光谱通道的驱动电流的幅值：
Figure BDA0003433832630000022
其中，U＝[u1 … un]T表示由n个光谱通道的控制信号组成的列向量；算子
Figure BDA0003433832630000023
0≤U≤M为约束条件，M为n个光谱通道的控制信号的最大值组成的列向量。
进一步地，在步骤S2中，还可以采用PID反馈控制方法计算多个光谱通道的控制信号，包括以下步 骤：
S231、获取所述测量光谱和用户设定的目标光谱，分别记为y和t；
S232、计算所述测量光谱和目标光谱之间的差值，e＝y-t；
S233、根据以下公式计算控制信号U：
U＝P·e+I·∫edt+D·de/dt
其中，U＝[u1 … un]T表示由n个光谱通道的控制信号组成的列向量，P、I、D分别为比例、积 分、微分控制系数矩阵。
进一步地，在步骤S223中，还可以直接求出目标函数
Figure BDA0003433832630000024
的最小二乘解 作为n个光谱通道的控制信号。
相比现有技术，本发明的有益效果在于：
本发明提供的一种光源系统可以输出具有丰富光谱成分的照明光，提供的控制方法可以实现对这种 光源输出的光谱成分的精确跟踪。
本发明提供的方法主要适用于对光源输出的光谱精度有较高要求的机器视觉、医学诊断成像等照明 领域。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的 内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。本发明的具体实施方式由以下实施 例及其附图详细给出。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例 及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明的光源系统示意图；
图2为本发明的驱动控制模块的原理示意图；
图3为本发明的一种混光装置的示意图；
图4为本发明的光谱控制方法流程图；
图5为本发明的建立光源输出光谱的计算模型的流程图；
图6为本发明的计算多个光谱通道的控制信号的流程图；
图7为本发明的采用PID反馈控制方法计算多个光谱通道的控制信号的流程图；
图8为本发明的一种光源各通道的测量光谱以及目标光谱示意图；
图9为本发明的一种控制光源输出光谱成分的结果的示意图。
具体实施方式
下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下， 以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。
一种光源系统，如图1所示，包括多光谱光源101、混光装置102、光谱传感器103、多通道驱动装 置104、控制器105、上位机106；光源101用于发出光谱成分可调节的光；多通道驱动装置104用于驱动 光源101的每个光谱通道输出具有一定辐照度的光；混光装置102用于将不同光谱通道输出的光混合均匀； 光谱传感器103用于测量光源输出光的光谱成分；上位机106用于设定目标光谱，以及显示所述传感器测 量的光谱；控制器105用于根据所述光谱传感器103测量的光谱和用户设定的目标光谱调节各光谱通道的 驱动装置生成直流电驱动信号。
作为优选地，光源由至少两个不同波段的LED芯片构成，所述波段可选的波长范围包括400-470nm、 500-580nm、600-670nm、730-850nm。
作为优选地，如图2所示，驱动装置包括微处理器201、多个通道的恒流驱动器202，多个通道的恒 流驱动器202输出多个通道的直流电流驱动多光谱光源203的多个光谱通道，微处理器201输出多个通道 的脉冲宽度调制信号调节所述多个通道的恒流驱动器输出的电流幅值。
作为优选地，光源的混光装置包括准直透镜、扩散罩。在一个实施例中，如图4所示，多种光谱通 道的LED芯片2焊接在基板1上；准直透镜3用于汇聚LED芯片2的光；扩散罩4，其中包括一些用于散 射光线的颗粒41，用于将多个光谱通道输出的光进行充分、均匀的混合。
一种光谱的控制方法，如图4所示，包括以下步骤：
S0、驱动光源，通过多个通道的驱动信号驱动多个光谱通道的LED芯片，使每个光谱通道发出具有 一定辐照度的光；
S1、测量多个通道的光混合后输出的光谱；
S2、控制光源，采用控制算法根据所述测量光谱和用户设定的目标光谱计算多个光谱通道的控制信 号；
S3、通过所述多个光谱通道的控制信号调节所述多个光谱通道的驱动信号。
作为优选地，在步骤S0中，所述多个通道的驱动信号为直流电流，在步骤S0中还包括通过多个通 道的脉冲宽度调制信号调节所述直流电流的幅值。
作为优选地，在步骤S2中，建立光源输出光谱的计算模型包括以下步骤：
S211、采用标准光谱仪分别测量并记录每个光谱通道的LED芯片的输出光谱，记为li(λ)，其中λ表 示在380nm-900nm范围内取值的一个波长采样点，下标i表示第i个光谱通道；
S212、根据以下公式计算n个光谱通道的光混合后的输出光谱在波长λ的辐照度，记为y(λ)：
Figure BDA0003433832630000041
其中，ui表示第i个光谱通道的驱动电流的幅值，单位是安培，ki表示输入驱动电流为1安培时第 i个光谱通道在波长λ的辐照度值。
作为优选地，在步骤S2中，计算多个光谱通道的控制信号包括以下步骤：
S221、获取权利要求7所述的光源输出光谱y(λ)的公式；
S222、获取用户设定的目标光谱，记为t(λ)；
S223、求解以下优化问题，获取所有光谱通道的驱动电流的幅值：
Figure BDA0003433832630000042
其中，U＝[u1 … un]T表示由n个光谱通道的控制信号组成的列向量；算子
Figure BDA0003433832630000043
0≤U≤M为约束条件，M为n个光谱通道的控制信号的最大值组成的列向量。
作为优选地，在步骤S2中，还可以采用PID反馈控制方法计算多个光谱通道的控制信号，包括以下 步骤：
S231、获取所述测量光谱和用户设定的目标光谱，分别记为y和t；
S232、计算所述测量光谱和目标光谱之间的差值，e＝y-t；
S233、根据以下公式计算控制信号U：
U＝P·e+I·∫edt+D·de/dt
其中，U＝[u1 … un]T表示由n个光谱通道的控制信号组成的列向量，P、I、D分别为比例、 积分、微分控制系数矩阵。
作为优选地，在步骤S223中，还可以直接求出目标函数
Figure BDA0003433832630000044
的最小二乘 解作为n个光谱通道的控制信号。
在一个实施例中，如图8所示，光源包括三个波段，即光谱分别为峰值波长450nm的L1、峰值波长 530nm的L2和峰值波长660nm的L3；经标准光谱仪测量，三个波段在峰值波长处的辐照度分别为0.9、0.4、 0.7mW/nm。目标光谱t在450nm、530nm和660nm处的辐照度分别为0.38、0.65、0.95mW/nm。采用权利要 求8所述的优化控制方法，如图9所示，计算得到的三个通道的控制信号分别为 U＝[0.422 1.625 1.357]T。光源最后输出的光谱y可以精确实现目标光谱t。
以上，仅为本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制；凡本行业的普通技术人 员均可按说明书附图所示和以上而顺畅地实施本发明；但是,凡熟悉本专业的技术人员在不脱离本发明技 术方案范围内，利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等 效实施例；同时,凡依据本发明的实质技术对以上实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变等，均 仍属于本发明的技术方案的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种光源系统，其特征在于：包括若干波段的光源、若干通道的驱动装置、混光装置、光谱传感器、控制器、上位机；
所述光源用于发出光谱成分可调节的光；
所述驱动装置用于驱动光源的每个光谱通道输出具有一定辐照度的光；
所述混光装置用于将不同光谱通道输出的光混合均匀；
所述传感器用于测量光源输出光的光谱成分；
所述上位机用于设定目标光谱，以及显示所述传感器测量的光谱；
所述控制器用于根据所述传感器测量的光谱和用户设定的目标光谱调节各光谱通道的驱动装置生成直流电驱动信号。
2.如权利要求1所述的一种光源系统，其特征在于：所述光源由至少两个不同波段的LED芯片构成，所述波段可选的波长范围包括400-470nm、500-580nm、600-670nm、730-850nm。
3.如权利要求1所述的一种光源系统，其特征在于：所述驱动装置包括微处理器、多个通道的恒流驱动器，所述多个通道的恒流驱动器输出多个通道的直流电流驱动所述光源的多个波段通道，所述微处理器输出多个通道的脉冲宽度调制信号调节所述多个通道的恒流驱动器输出的电流幅值。
4.如权利要求1所述的一种光源系统，其特征在于：所述混光装置包括准直透镜、扩散罩。
5.一种光谱的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S0、驱动光源，通过多个通道的驱动信号驱动多个光谱通道的LED芯片，使每个光谱通道发出具有一定辐照度的光；
S1、测量多个通道的光混合后输出的光谱；
S2、控制光源，采用控制算法根据所述测量光谱和用户设定的目标光谱计算多个光谱通道的控制信号；
S3、通过所述多个光谱通道的控制信号调节所述多个光谱通道的驱动信号。
6.如权利要求5所述的一种光谱的控制方法，其特征在于：在步骤S0中，所述多个通道的驱动信号为直流电流，在步骤S0中还包括通过多个通道的脉冲宽度调制信号调节所述直流电流的幅值。
7.如权利要求5所述的一种光谱的控制方法，其特征在于：在步骤S2中，建立光源输出光谱的计算模型包括以下步骤：
S211、采用标准光谱仪分别测量并记录每个光谱通道的LED芯片的输出光谱，记为li(λ)，其中λ表示在380nm-900nm范围内取值的一个波长采样点，下标i表示第i个光谱通道；
S212、根据以下公式计算n个光谱通道的光混合后的输出光谱在波长λ的辐照度，记为y(λ)：
Figure FDA0003433832620000021
其中，ui表示第i个光谱通道的驱动电流的幅值，单位是安培，ki表示输入驱动电流为1安培时第i个光谱通道在波长λ的辐照度值。
8.如权利要求5所述的一种光谱的控制方法，其特征在于：在步骤S2中，计算多个光谱通道的控制信号包括以下步骤：
S221、获取权利要求7所述的光源输出光谱y(λ)的公式；
S222、获取用户设定的目标光谱，记为t(λ)；
S223、求解以下优化问题，获取所有光谱通道的驱动电流的幅值：
Figure FDA0003433832620000022
0≤U≤M
其中，U＝[u1 … un]T表示由n个光谱通道的控制信号组成的列向量；算子
Figure FDA0003433832620000023
0≤U≤M为约束条件，M为n个光谱通道的控制信号的最大值组成的列向量。
9.如权利要求5所述的一种光谱的控制方法，其特征在于：在步骤S2中，还可以采用PID反馈控制方法计算多个光谱通道的控制信号，包括以下步骤：
S231、获取所述测量光谱和用户设定的目标光谱，分别记为y和t；
S232、计算所述测量光谱和目标光谱之间的差值，e＝y-t；
S233、根据以下公式计算控制信号U：
U＝P·e+I·∫edt+D·de/dt
其中，U＝[u1 … un]T表示由n个光谱通道的控制信号组成的列向量，P、I、D分别为比例、积分、微分控制系数矩阵。
10.如权利要求8所述的一种光谱控制方法，其特征在于，在步骤S223中，还可以直接求出目标函数的
Figure FDA0003433832620000024
最小二乘解作为n个光谱通道的控制信号。
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