CN202903455U - 一种电玩具发光点光斑图像的采集装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种使用激光二极管或发光二极管作为瞄准器的电玩具发光点光斑图像的采集装置，该装置包括一底板以及位于底板同一直线之上的CCD图像传感器、一个或多个凸透镜和发光件固定夹；在底板和CCD图像传感器之间设有一移动平台，该移动平台受步进电机控制，以使CCD图像传感器可沿光束轴线方向前后移动；凸透镜位于CCD图像传感器和发光件固定夹之间，CCD图像传感器和步进电机与计算机连接。本实用新型的采集装置利用电脑控制移动平台沿光束轴线方向前后移动，使CCD图像传感器在不同的位置捕获光斑的图像，通过一系列的测量和计算，实现对电玩具中LD和LED发光点光斑尺寸的精确测量。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种图像的采集装置，尤其涉及一种发光点光斑图像的采集装置，更具体是涉及一种电玩具中使用激光二极管或发光二极管作为瞄准器时激光二极管或发光二极管发光点光斑图像的采集装置。
背景技术
激光二极管（LD）和发光二极管（LED）由于具有体积小、重量轻、环保节能、价格便宜等优点，在电玩具中的应用越来越普遍，如用作玩具激光枪中的瞄准器，由于仿真娱乐性好，深受儿童喜爱。随着LD和LED在电玩具领域的广泛应用，其辐射对儿童眼睛和皮肤造成的伤害也时有发生，于是人们开始关注LD和LED的辐射安全问题。LD和LED辐射对儿童眼睛和皮肤的损伤程度与其波长、脉宽、聚焦尺寸、辐射时间等均有关系，根据不同的损伤程度,IEC（国际电工组织）和CIE (国际照明委员会)分别对LD和LED的辐射安全性制定了标准，IEC 60825-1标准中将激光产品共分成7类，危害程度由弱到强依次为：I类、IM 类、II类、IIM 类、IIIR 类、IIIB 类、IV类，而电玩具安全标准IEC 62115中不允许电玩具中使用的LD和LED超过I类激光产品的要求。IEC 60825-1标准在对光源光辐射安全性的测试与评价时有一个关键参数叫光源对向角 
，光源的光辐射限量随变化而变化，如下图所示：
光源对向角
是指光源在观察者眼睛或测量点所张的视角。LD或LED经眼睛的角膜和晶状体成像在眼睛的视网膜上，视网膜上像的大小是决定LD或LED对视网膜热伤害和视网膜光化学危害的一个重要因素，由于人眼能清晰成像的最小距离是100mm，因而IEC 60825-1标准中取
来计算的大小：
，其中s是LD或LED的光斑尺寸，因此，为了计算LD或LED的对向角
，需要测量LD或LED发光点的光斑尺寸。
虽然IEC和CIE制定的标准中均指出光源对向角是光源安全性评价的一个重要参数，但均没有给出光源发光点光斑尺寸s的具体测试方法，这导致国内外多家玩具检测机构对电玩具中LD和LED发光点光斑尺寸s的测试方法不一致，如有的检测机构直接将LD和LED的实际尺寸作为其发光点的光斑尺寸，这种方法对于均匀放光的光源是可行的，但玩具中的LD和LED通常是用胶固定在一个碗状的反射面上，二者再用树脂透镜整体封装起来，这种光源并不是均匀放光的光源，因而不能将LD和LED的实际尺寸作为其发光光斑的尺寸来计算对向角，必须将LD和LED的芯片、反射碗及其树脂透镜封装体作为一个整体来考虑其发光光斑尺寸；由于测试方法各不相同，因而影响LD和LED光辐射限量的不一致，最终导致各个检测机构对玩具中同一LD和LED的辐射安全评价结果相差很大。
本实用新型的申请人针对玩具中LD和LED发光光斑尺寸s测试方法的缺失和目前玩具测试机构对玩具中LD和LED发光光斑尺寸s测试方法存在缺陷的情况，搭建了一套测量电玩具中LD和LED光束质量和光斑尺寸的测量系统，该系统以具有宽光谱范围、高信噪比、高分辨率的图像传感器（CCD）作为光斑图像采集的关键设备，利用自行编写的软件同步控制CCD和数控位移平台，采集LD和LED所发出光束在不同位置的光强分布图样，再利用二阶矩计算光束的束宽，并由双曲线拟合得到光束轮廓曲线，计算出光束的M2因子，进而推算出LD和LED光束任一位置的光斑尺寸，实现对电玩具中LD和LED发光光斑尺寸的精确测量。由于光束质量因子M2是一种新的描述激光光束质量的参数，能够很好地表征光束传播的特性，因此这种测试方法得到国际标准组织的采纳。
发明内容
为配合上述的测量系统，本实用新型的目的是提供一种电玩具发光点光斑图像的采集装置，从而实现对电玩具中LD和LED发光点光斑尺寸的精确测量。
为实现以上目的，本实用新型的电玩具发光点光斑图像的采集装置包括一底板以及位于底板同一直线之上的CCD图像传感器、一个或多个凸透镜和发光件固定夹；在底板和CCD图像传感器之间设有一移动平台，该移动平台受步进电机控制，以使CCD图像传感器可沿光束轴线方向前后移动；凸透镜位于CCD图像传感器和发光件固定夹之间， CCD图像传感器和步进电机与计算机连接。
由于LD的光束发散角比较小，使用单个小孔径透镜便能把激光束聚焦到CCD图像传感器的合适测量位置，而且聚焦后的光斑比较小，可以直接使用CCD进行测量，因此上述位于CCD图像传感器和发光件固定夹之间的凸透镜为一个，该凸透镜的直径为50mm、焦距为200mm。
由于LED光源的发散角比较大，需要使用2个大孔径的透镜才能将发光束聚焦到CCD图像传感器的合适测量位置，而且得到的光斑较大，需要将其投影至毛玻璃屏幕上，再使用CCD捕获光斑，因此上述光斑图像采集装置还包括一毛玻璃屏，该毛玻璃屏位于CCD图像传感器和凸透镜之间的移动平台上、且与CCD图像传感器镜头的距离为16.5cm；位于CCD图像传感器和发光件固定夹之间的凸透镜为两个，每个凸透镜的直径为50mm、焦距为200mm。
为了使发光件的激光束能更好聚焦到CCD图像传感器的合适测量位置，上述CCD图像传感器、凸透镜和发光件固定夹设有高度不同的柱状支架。
为了便于发光件的安装和拆卸，上述发光件固定夹为带有径向锁芯的环形夹。
为了限制CCD图像传感器前后移动的范围，上述移动平台和底板之间还设置有一U型底座，底座两侧固定一与光束轴线同向的芯轴61，移动平台套置于芯轴中。
本实用新型的电玩具发光点光斑图像的采集装置，利用电脑控制移动平台沿光束轴线方向前后移动，使CCD图像传感器在不同的位置捕获光斑的图像，得到LD或LED在束腰附近的横向光束的步进式成像， 通过在计算机中显示成像效果，再经图像处理技术将光束的X和Y方向上的各个光束尺寸测量出来，将一系列测量数据进行科学的数据拟合，通过公式计算出X和Y方向上的M2的值，从而得出待测LD和LED的光束传播特性，根据成像透镜的焦距、物像间距离及光束的M2值，进而推算出光束任一位置的光斑大小。
附图说明
图1是本实用新型LD发光点光斑图像采集装置的结构示意图。
图2是本实用新型LED发光点光斑图像采集装置的结构示意图。
具体实施方式
实施例1
如图1所示，对于采用激光二极管作为玩具枪瞄准器的LD光斑图像的采集装置，包括底板1 、位于底板同一直线之上的CCD图像传感器2、一个直径为50mm、焦距为200mm的凸透镜3和带有径向锁芯的发光件环形夹4，CCD图像传感器、凸透镜和发光件环形夹均固定于柱状支架5上，在底板和CCD图像传感器之间设有一U型底座6，底座两侧固定一与光束轴线同向的芯轴61，芯轴中套置一可沿光束轴线方向前后移动的移动平台7，CCD图像传感器固定于移动平台上，该移动平台受步进电机8控制，凸透镜位于CCD图像传感器和发光件固定夹之间，CCD图像传感器和步进电机与计算机连接，步进电机和计算机在图中未标出。
使用时，将电玩具中封装有LD的发光件插进环形固定夹的内环中，调节径向锁芯，使发光件固定，调整凸透镜的位置，使激光束能聚焦到CCD图像传感器的合适测量位置上，根据程序设计，通过步进电机控制CCD图像传感沿光束轴线方向前后移动，在不同的位置捕获光斑的图像，经分析便可以得到不同位置的光束半径分布，拟合得到光束的轮廓曲线，进而计算出光束的M2因子。由于M2因子经过光学系统前后的数值不会发生任何变化，因此，这种透镜变换不会影响M2因子测量的结果。
实施例2
如图2所示，对于采用发光二极管作为玩具枪瞄准器的LED光斑图像的采集装置，包括底板1 、位于底板同一直线之上的CCD图像传感器2、两个直径为50mm、焦距为200mm的凸透镜3、带有径向锁芯的发光件环形夹4和毛玻璃屏8，CCD图像传感器、凸透镜、发光件环形夹和毛玻璃屏均固定于柱状支架5上，在底板和CCD图像传感器之间设有一U型底座6，底座两侧固定一与光束轴线同向的芯轴61，芯轴中套置一可沿光束轴线方向前后移动的移动平台7，CCD图像传感器和毛玻璃屏固定于移动平台上，该移动平台受步进电机8控制，凸透镜位于CCD图像传感器和发光件固定夹之间，毛玻璃屏位于CCD图像传感器和凸透镜之间，毛玻璃屏与CCD图像传感器镜头21之间的距离为16.5cm，CCD图像传感器和步进电机与计算机连接，步进电机和计算机在图中未标出。
使用时，将电玩具中封装有LED的发光件插进环形固定夹的内环中，调节径向锁芯，使发光件固定，调整两个凸透镜的位置，使激光束投影至毛玻璃屏幕上，再聚焦到CCD图像传感器的合适测量位置上，根据程序设计，通过步进电机控制CCD图像传感沿光束轴线方向前后移动，从而捕获不同位置的光斑图像，经分析便可以得到不同位置的光束半径分布，拟合得到光束的轮廓曲线，进而计算出光束的M2因子。
Claims (6)
1.一种电玩具发光点光斑图像的采集装置，其特征在于：所述采集装置包括一底板以及位于底板同一直线之上的CCD图像传感器、一个或多个凸透镜和发光件固定夹；在底板和CCD图像传感器之间设有一移动平台，该移动平台受步进电机控制，以使CCD图像传感器可沿光束轴线方向前后移动；凸透镜位于CCD图像传感器和发光件固定夹之间， CCD图像传感器和步进电机与计算机连接。
2.根据权利要求1所述的电玩具发光点光斑图像的采集装置，其特征在于：所述位于CCD图像传感器和发光件固定夹之间的凸透镜为一个，该凸透镜的直径为50mm、焦距为200mm。
3.根据权利要求1所述的电玩具发光点光斑图像的采集装置，其特征在于：所述光斑图像采集装置还包括一毛玻璃屏，该毛玻璃屏位于CCD图像传感器和凸透镜之间的移动平台上、且与CCD图像传感器镜头的距离为16.5cm；位于CCD图像传感器和发光件固定夹之间的凸透镜为两个，每个凸透镜的直径为50mm、焦距为200mm。
4.根据权利要求2或3所述的电玩具发光点光斑图像的采集装置，其特征在于：所述CCD图像传感器、凸透镜和发光件固定夹设有高度不同的柱状支架。
5.根据权利要求2或3所述的电玩具发光点光斑图像的采集装置，其特征在于：所述发光件固定夹为带有径向锁芯的环形夹。
6.根据权利要求2或3所述的电玩具发光点光斑图像的采集装置，其特征在于：所述移动平台和底板之间还设置有一U型底座，底座两侧固定一与光束轴线同向的芯轴，移动平台套置于芯轴中。
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