WO2017147957A1 - 一种用于海洋微小生物检测的远心照明和摄像系统 - Google Patents

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Abstract

一种用于海洋微小生物检测的远心照明和摄像系统，包括光路模块和照明驱动模块，光路模块包括：LED光源，其提供照明光源；匀光棒，其对光束进行混光以得到均匀的光强分布；消相干匀光片，其对从匀光棒的端面出射的光束进行二次匀光和消相干处理，得到非相干和均匀的光源面；光栏，其根据照明光束准直度的要求确定相应的光栏口径；远心准直镜头，从光栏出射的光束经远心准直镜头后以均匀的照度入射到微小生物区域；远心成像镜头，配合远心准直镜头接收通过微小生物区域的照明光束并输出至成像单元，以得到照度均匀的成像结果。进一步地，照明驱动模块使LED光源工作在发光强度恒定的稳定状态，提高电流输出精度。

Description

一种用于海洋微小生物检测的远心照明和摄像系统 技术领域
本发明涉及照明和成像技术，特别是涉及一种用于海洋微小生物检测的远心照明和摄像系统，为海洋微小生物检测提供照明。
背景技术
随着科学研究的发展，发现海洋、湖泊、河流等水系环境的微小生物的存在、生长、代谢物的成份、溶水气体成份等数据都紧密、准确的反映出当地环境的状况，与人们的生活环境息息相关。然而研究微小生物的技术手段存在不少的技术难题，原因在于微小生物的体积大小多在微米数量级，尤其在较混浊的水体和淤泥混合物的水体中。
一般的照明光源和摄像镜头，对微小生物成像时，存在散射、光相干涉、成像照度不均匀等问题，给观察微小生物造成很多不良影响，如散射造成的成像模糊、对比度低；光相干涉形成的相干条纹，像面局部明暗相间；成像照度不均匀影响成像的整体观察；
与此同时，用于照明的大功率LED系统也需要更好的驱动，可采用的主要有电阻限流、线性稳压器和开关型变换器3类。电阻限流方案适用于效率低的应用场合，对效率要求极高，因此对于要求图像采集精度高的照明驱动不采用此方法；线性稳压器只适应于低电流或LED正向压降稍低于电源电压的场合，但同样存在效率和输入电压范围小的问题；开关型同步降压型驱动具有电路拓扑灵活、效率高和输入电压宽的特性、电流采样精度高。综合考虑工作效率、安装尺寸、静态电流、工作电压、噪声和输出调节等因素后，目前大多数图像照明检测设备驱动电路中多采用开关型变换器。开关变换器拓扑结构分为Buck、Boost及Buck-Boos等方式。但这种开关型变换器，尚不能很好地解决以下五个问题和因长时间工作LED光效衰减问题。
(1)升降压功能。当输入电压或LED本身压降有波动时，调节输出电压，满足输出电流恒定的要求，保证LED发光稳定可靠。
(2)高功率转换效率。以降低电路驱动损耗，降低能耗，同时减少蓄电池充电次数，延长电池使用寿命。
(3)亮度调节功能。当需要调节成像系统的爆光时间时，可以通过PWM信号调节电流的大小。
(4)具有完善的保护电路。应设置各种保护措施，用以保护自身和LED可靠工作。例如，低压锁存、过压保护、过热保护、输出开路或短路保护等。
(5)良好的散热功能。由于LED的热学特性，温度是影响LED稳定工作的重要因素之一。在夜晚工作时，LED处于长时间点亮状态，因此，必须有良好的散热功能，保证LED的使用寿命和工作可靠。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术的不足，提供一种用于海洋微小生物检测的远心照明和摄像系统，使得成像照度高度均匀，提高成像质量。
本发明进一步的目的在于为海洋浮游生物检测提供大电流、高可靠性的照明驱动。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种用于海洋微小生物检测的远心照明和摄像系统，包括光路模块和照明驱动模块，所述光路模块包括：
LED光源，其提供照明光源；
匀光棒，其对从所述LED光源出射的光束进行混光以得到均匀的光强分布；
消相干匀光片，其对从所述匀光棒的端面出射的光束进行二次匀光和对光束进行消相干处理，得到非相干和均匀的光源面；
光栏，其根据照明光束准直度的要求确定相应的光栏口径；
远心准直镜头，从所述光栏出射的光束经所述远心准直镜头后以均匀的照度入射到微小生物区域；
远心成像镜头，其与所述远心准直镜头相匹配，配合所述远心准直镜头接收通过微小生物区域的照明光束并输出至成像单元，以得到照度均匀的成像结果。
进一步地：
所述LED光源的光谱范围包括从近紫外365nm至红外波段，可以是其中某一波段光谱区，例如420nm-680nm，或者是单一窄波光谱，例如红光635±50nm。
匀光棒可以是方形或锥形的内反射腔体，也可以是透明的光学材料实体。
优选地，所述LED光源的发光直径D与所述匀光棒的长度L满足以下关系：L≥D*3。
更优选地，所述LED光源的发光面为矩形，对应的发光直径D为矩形的对角线长度。
所述消相干匀光片的散射模式为朗伯型(lambertian)，散射率≥0.5。
所述远心准直镜头的数值孔径NA≥0.5。
所述远心准直镜头的远心度小于或等于2度，经设置能够满足对小至50微米的微小生物的照明观察。
所述光路模块还包括：
起偏片，其设置在所述远心准直镜头与微小生物区域之间，用于对所述远心准直镜头出射的光束起偏以消除光束的散射现象；
检偏片，其设置在微小生物区域与所述远心成像镜头与之间，所述检偏片配合所述起偏片而设置，用于消除照明微小生物时产生的杂散光。
优选地，所述起偏片的透射消光比Ts/Tp＞50∶1，其中Ts为对S-偏振光的透射率，Tp为对P-偏振光的透射率；所述检偏片的透射消光比Ts/Tp＞50∶1，其中，Ts为对S-偏振光的透射率，Tp为对P-偏振光的透射率。
所述照明驱动模块包括；
PWM同步信号单元，其提供成像系统的PWM同步信号；
处理单元，其接收所述PWM同步信号，对所述PWM同步信号进行量化处理后生成数字信号；
数模转换单元，其接收所述数字信号，对所述数字信号进行数模转换后输出模拟电压信号；
模拟信号放大单元，其接收所述模拟电压信号，对所述模拟电压信号进行同步跟随并且放大后输出模拟量化电压，所述LED光源由所述模拟量化电压驱动；
同步电流检测单元，其对所述LED光源工作的电流进行实时采样，并将采样的电流信息传给所述处理单元，所述处理单元根据采样的电流信息进行反馈控制，从而使所述LED光源工作在发光强度恒定的稳定状态。
所述处理单元根据采样的电流信息，通过单输出的比例积分微分神经元网络进行光强或光亮度衰减补偿，所述单输出的比例积分微分神经元网络包括输入层、隐含层和输出层，其中所述输入层具有两个比例神经元，所述隐含层具有一个比例神经元，一个积分神经元和一个微分神经元，所述输出层具有一个比例神经元，其中，所述输入层的一个比例神经元输入 预先设定好的理想工作电流Ref_I，所述输入层的另一个比例神经元输入采样的实际工作电流Real_I，所述单输出的比例积分微分神经元网络处理后输出具有脉冲宽度的控制信号Out_pwm，所述LED光源的驱动信号是基于所述控制信号Out_pwm。
通过使式(3.1)达到最小来完成所述单输出的比例积分微分神经元网络的网络权重值的自动调整，
Figure PCTCN2016077702-appb-000001
其中E为误差评价函数，Ref_I(k)为理想工作电流在k时刻的值，Real_I(k)为实际工作电流在k时刻的值。
本发明的有益效果：
本发明通过采用匀光棒和消相干均光片结合的方式，结合远心准直镜头、远心成像镜头，得到高度均匀、消相干照明光源，使得成像面照度极其均匀。
进一步地，本发明通过照明驱动模块，对所述LED光源工作的电流进行实时采样，并将采样的电流信息传给所述处理单元，所述处理单元根据采样的电流信息进行反馈控制，从而使所述LED光源工作在发光强度恒定的稳定状态，提高电流输出精度，可控制电流达到0.1mA输出精度，可靠性强。本发明可以实现随着LED光源光效衰减曲线自动调节电流的增益功能，大大延长了LED阵列模组的使用寿命。
总之，本发明可实现一种满足海洋浮游生物检测提供大电流、高可靠性的照明驱动系统。
附图说明
图1为本发明一种实施例中的光路模块的结构示意图；
图2a和图2b为本发明实施例中的匀光棒结构示意图；
图3为本发明一种实施例中的LED光源的发光面示意图；
图4为本发明一种实施例中的照明驱动模块电路框图；
图5为本发明一种实施例中的控制流程图；
图6为本发明一种实施例中的电流自动控制系统结构图；
图7为本发明一种实施例中的单输出比例积分微分神经元网络结构图。
具体实施方式
以下对本发明的实施方式作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
参阅图1，在一种实施例中，一种用于海洋微小生物检测的远心照明和摄像系统，包括光路模块和照明驱动模块，其中所述光路模块包括LED光源1、匀光棒2、消相干匀光片3、光栏4、远心准直镜头5和远心成像镜头9；其中所述LED光源1提供照明光源，所述匀光棒2对从所述LED光源1出射的光束进行混光以得到均匀的光强分布；所述消相干匀光片3对从所述匀光棒2的端面出射的光束进行二次匀光和对光束进行消相干处理，得到非相干和均匀的光源面；所述光栏4根据照明光束准直度的要求确定相应的光栏4口径；所述远心准直镜头5从所述光栏4出射的光束经所述远心准直镜头5后以均匀的照度入射到微小生物区域7，照明光束通过微小生物区域7的水体，照亮微小生物环境，给所述远心成像镜头9提供最佳成像光源；所述远心成像镜头9与所述远心准直镜头5相匹配，所述远心成像镜头9配合所述远心准直镜头5接收通过微小生物区域的照明光束并输出至成像单元10，以得到照度均匀的成像结果。
在一些实施例中，所述LED光源1的光谱范围可以是从近紫外365nm至红外波段，具体来说可以是其中某一波段光谱区，例如420nm-680nm，或者是单一窄波光谱，例如红光635±50nm。LED光源1的光谱范围适应不同种类微小生物或其它相关物体的观察。
如图2a和图2b所示，在一些实施例中，匀光棒2可以是方形或锥形的内反射腔体，也可以是透明的光学材料实体。
在优选的实施例中，所述LED光源1的发光直径D与所述匀光棒2的长度L满足以下关系：L≥D*3。如图3所示，在一种具体实施例中，所述LED光源1的发光面为矩形，对应的发光直径D为矩形的对角线长度。
在优选的实施例中，所述消相干匀光片3的散射模式为朗伯型(lambertian)，散射率≥0.5。
在优选的实施例中，所述远心准直镜头5的数值孔径NA≥0.5。远心准直镜头5采用光学远心结构，保证其出射的光束，入射到微小生物区域所有成像点区的照度均匀性。
在优选的实施例中，所述远心准直镜头5的远心度小于或等于2度，经设置能够满足对小至50微米的微小生物的照明观察。
如图1所示，在进一步的实施例中，该远心照明和摄像系统的光路模 块还包括起偏片6和检偏片8。其中起偏片6设置在所述远心准直镜头5与微小生物区域之间，用于对所述远心准直镜头5出射的光束起偏以消除光束的散射现象，得到对比度更高的成像效果；检偏片8设置在微小生物区域与所述远心成像镜头9与之间，所述检偏片8配合所述起偏片6而设置，用于消除照明微小生物时产生的杂散光，使得远心成像镜头9能拍摄到更清楚的成像效果。
在更优选的实施例中，所述起偏片6的透射消光比Ts/Tp＞50∶1，其中Ts为对S-偏振光的透射率，Tp为对P-偏振光的透射率；所述检偏片8的透射消光比Ts/Tp＞50∶1，其中，Ts为对S-偏振光的透射率，Tp为对P-偏振光的透射率。
参阅图4，在另一些实施例中，远心照明和摄像系统的照明驱动模块包括PWM同步信号单元、处理单元、数模转换单元、模拟信号放大单元、同步电流检测单元；其中，PWM同步信号单元提供成像系统的PWM同步信号；处理单元，其接收所述PWM同步信号，对所述PWM同步信号进行量化处理后生成数字信号；数模转换单元接收所述数字信号，对所述数字信号进行数模转换后输出模拟电压信号；模拟信号放大单元接收所述模拟电压信号，对所述模拟电压信号进行同步跟随并且放大后输出模拟量化电压，所述LED光源1由所述模拟量化电压驱动；同步电流检测单元对所述LED光源1工作的电流进行实时采样，并将采样的电流信息传给所述处理单元，所述处理单元根据采样的电流信息进行反馈控制，从而使所述LED光源1工作在发光强度恒定的稳定状态。
进一步地，PWM同步信号单元可提供同步成像系统的PWM信号，其PWM的脉宽比值大小可调，有效延长微小生物检测系统的电力续航，处理单元可以采用CPU进行控制处理，数模转换单元可采用14位精度的数模转换芯片实现电流精确控制。
如图4所示，该系统运作时，CPU(STM32F103)通过电平转换芯片(ADM3202)接收PWM同步信号单元(PWM)提供的PWM同步信号，CPU对输入的PWM信号进行量化处理，并通过SPI数字接口，将计算结果传给高达14位精度的数模转换芯片(AD5732)进行模拟电压输出，后端的高电压大电流运算放大器(OPA548)将输入的电压模拟量进行同步电路跟随输出，模拟量化电压对LED进行驱动，与此同时，同步电流检测单元对LED的工作电流进行实时采样。将采样的电流信息传给CPU，CPU根据采样信息输出， 实现高精度的电流控制。
为了准确进行光强或光亮度衰减补偿，可增加一个光电探测器以检测出光亮度的大小，根据光亮度来进行电流补偿。
根据该系统，可保证LED工作稳定，光效恒定，使LED发光亮度不会随着长时间工作而出现光强或光亮度衰减现象，并且可以实现随着LED光效衰减曲线自动调节电流的增益功能，大大延长了LED阵列模组的使用寿命。
如图5所示为系统运作的一种控制流程，系统工作时，同步电流检测单元对LED的工作电流进行实时采样，CPU读取当前驱动的LED实际电流值，判断电流值是否高于设定值，假如高于设定值就进行电流控制，以保证LED电流工作稳定。进行电流控制后，进一步判断实际电流值是否高于预定的警戒值，如果高于预定的警戒值，报警和采取保护措施。
结合图6和图7所示，在优选的实施例中，系统建立单输出的比例积分微分神经元网络(SPIDNN，Single-output Proportional-Integral-Derivative Neural Network)来进行电流控制，所述处理单元根据采样的电流信息，通过该单输出的比例积分微分神经元网络进行光强或光亮度衰减补偿，所述单输出的比例积分微分神经元网络包括输入层、隐含层和输出层，其中所述输入层具有两个比例神经元，所述隐含层具有一个比例神经元，一个积分神经元和一个微分神经元，所述输出层具有一个比例神经元，其中，所述输入层的一个比例神经元输入预先设定好的理想工作电流Ref_I，所述输入层的另一个比例神经元输入采样的实际工作电流Real_I，所述单输出的比例积分微分神经元网络处理后输出具有脉冲宽度的控制信号Out_pwm，所述LED光源的驱动信号是基于所述控制信号Out_pwm。
同步电流检测单元采样的信息传给CPU进行SPIDNN算法控制，CPU通过电流控制PID算法进行衰减补偿，保证LED发光强度一致，系统可控制电流精度在0.1mA范围内。
采用SPIDNN的电流自动控制系统结构如图6所示，其中Ref_I表示设备最适合的工作电流，Real_I表示设备的实际工作电流，Out_pwm表示经过SPIDNN处理后所得到的单片机的输出脉冲宽度(即脉冲的占空比)。
SPIDNN的结构形式如图7所示，它具有五个神经元，其中输入层由两个比例神经元构成，隐含层由一个比例神经元、一个积分神经元和一个微 分神经元构成，输出层由一个比例神经元构成。各神经元之间的连接情况及相应的连接权值如图7所示，采用SPIDNN的前向算法。SPIDNN连接权重值的初值：
W1j＝+1，W2j＝-1，W1＝Kp，W2＝kI，W3＝kD
其中kP为比例连接权值，kI为积分连接权值，kD为微分连接权值，其取值应保证系统初始稳定。
图7中，每个圆圈中从左至右的符号依次表示输入值、计算值和输出值。
我们首先规定：r(k)＝Ref_I(k)，y(k)＝Real_I(k)，v(k)＝Out_pwm(k)，net1，net2分别为输入层神经元的输入值和反馈值，u1、u2分别为计算值，x1、x2为输入层神经元的输出值。在k时刻，它们之间存在如下的关系：
Figure PCTCN2016077702-appb-000002
Figure PCTCN2016077702-appb-000003
相应的，隐藏层的三个神经元中各符号的计算方式为：
Figure PCTCN2016077702-appb-000004
Figure PCTCN2016077702-appb-000005
Figure PCTCN2016077702-appb-000006
其中，U1’、U2’、U3’分别代表比例神经元、积分神经元和微分神经元的计算值。
输出层各符号的计算方法为：
Figure PCTCN2016077702-appb-000007
Figure PCTCN2016077702-appb-000008
最后，网络的总输出为：
y(k)＝x(k)。
为实现SPIDNN的学习和记忆功能，使设备的实际电流更快更稳的趋近其最佳工作电流，本系统通过一种误差反向传播学习算法完成SPIDNN网络权重值的自动调整，其中，以使式(3.1)最小为训练学习的准则和目标，实现网络权重值的自动调整。
Figure PCTCN2016077702-appb-000009
其中E为误差评价函数，Ref_I(k)为理想工作电流在k时刻的值，Real_I(k)为实际工作电流在k时刻的值。
隐含层至输出层的权重值迭代公式为：
Figure PCTCN2016077702-appb-000010
其中，Wj(n)为学习n步之后隐含层至输出层的权重，ηj为各学习步骤之间的权增值。
经计算，有
Figure PCTCN2016077702-appb-000011
其中，r(k)＝Ref_I(k)，y(k)＝Real_I(k)，v(k)＝Out_pwm(k)，v(k)即Out_pwm(k)，为对偏差的比例、积分、微分的线性叠加值，
Figure PCTCN2016077702-appb-000012
输入层至隐含层的权重迭代公式为：
Figure PCTCN2016077702-appb-000013
其中，Wij(n)为学习n步之后输入层至隐含层之间的权重，ηi为各学习步骤之间权增值。
经计算，有
Figure PCTCN2016077702-appb-000014
其中，
Figure PCTCN2016077702-appb-000015
式(3.2)和式(3.3)中η为学习步长，为保证SPIDNN控制系统在学习过程中收敛，η的取值应满足：
0＜ηj＜1/εj 2和0＜ηi＜1/εi 2       (3.4)
其中
Figure PCTCN2016077702-appb-000016
Figure PCTCN2016077702-appb-000017
Figure PCTCN2016077702-appb-000018
在具体实施例中，LED光源矩阵内部结构采用并联物理封装形式，LED光源模组工作电压在2.6V左右，光源驱动系统采用与LED光源模组相适应的工作电压进行同步降压大电流控制。光源驱动系统优选还引入低压锁存、过压保护、过热保护，以及输出开路或短路保护，即使驱动系统工作出现异常，也不影响其他系统模块失效或损坏。
以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

  1. 一种用于海洋微小生物检测的远心照明和摄像系统，包括光路模块和照明驱动模块，其特征在于，所述光路模块包括：
    LED光源，其提供照明光源；
    匀光棒，其对从所述LED光源出射的光束进行混光以得到均匀的光强分布；
    消相干匀光片，其对从所述匀光棒的端面出射的光束进行二次匀光和对光束进行消相干处理，得到非相干和均匀的光源面；
    光栏，其根据照明光束准直度的要求确定相应的光栏口径；
    远心准直镜头，从所述光栏出射的光束经所述远心准直镜头后以均匀的照度入射到微小生物区域；
    远心成像镜头，其与所述远心准直镜头相匹配，配合所述远心准直镜头接收通过微小生物区域的照明光束并输出至成像单元，以得到照度均匀的成像结果。
  2. 如权利要求1所述的用于海洋微小生物检测的远心照明和摄像系统，其特征在于，所述LED光源的光谱范围包括从近紫外365nm至红外波段，可以是其中某一波段光谱区，例如420nm-680nm，或者是单一窄波光谱，例如红光635±50nm。
  3. 如权利要求1所述的用于海洋微小生物检测的远心照明和摄像系统，其特征在于，匀光棒可以是方形或锥形的内反射腔体，也可以是透明的光学材料实体；优选地，所述LED光源的发光直径D与所述匀光棒的长度L满足以下关系：L≥D*3；更优选地，所述LED光源的发光面为矩形，对应的发光直径D为矩形的对角线长度。
  4. 如权利要求1所述的用于海洋微小生物检测的远心照明和摄像系统，其特征在于，所述消相干匀光片的散射模式为朗伯型(lambertian)，散射率≥0.5。
  5. 如权利要求1所述的用于海洋微小生物检测的远心照明和摄像系统，其特征在于，所述远心准直镜头的数值孔径NA≥0.5。
  6. 如权利要求1所述的用于海洋微小生物检测的远心照明和摄像系统，其特征在于，所述远心准直镜头的远心度小于或等于2度，经设置能够满足对小至50微米的微小生物的照明观察。
  7. 如权利要求1至6任一项所述的用于海洋微小生物检测的远心照 明和摄像系统，其特征在于，所述光路模块还包括：
    起偏片，其设置在所述远心准直镜头与微小生物区域之间，用于对所述远心准直镜头出射的光束起偏以消除光束的散射现象；
    检偏片，其设置在微小生物区域与所述远心成像镜头与之间，所述检偏片配合所述起偏片而设置，用于消除照明微小生物时产生的杂散光；
    优选地，所述起偏片的透射消光比Ts/Tp＞50∶1，其中Ts为对S-偏振光的透射率，Tp为对P-偏振光的透射率；所述检偏片的透射消光比Ts/Tp＞50∶1，其中，Ts为对S-偏振光的透射率，Tp为对P-偏振光的透射率。
  8. 如权利要求1至6任一项所述的用于海洋微小生物检测的远心照明和摄像系统，其特征在于，所述照明驱动模块包括；
    PWM同步信号单元，其提供成像系统的PWM同步信号；
    处理单元，其接收所述PWM同步信号，对所述PWM同步信号进行量化处理后生成数字信号；
    数模转换单元，其接收所述数字信号，对所述数字信号进行数模转换后输出模拟电压信号；
    模拟信号放大单元，其接收所述模拟电压信号，对所述模拟电压信号进行同步跟随并且放大后输出模拟量化电压，所述LED光源由所述模拟量化电压驱动；
    同步电流检测单元，其对所述LED光源工作的电流进行实时采样，并将采样的电流信息传给所述处理单元，所述处理单元根据采样的电流信息进行反馈控制，从而使所述LED光源工作在发光强度恒定的稳定状态。
  9. 如权利要求8所述的用于海洋微小生物检测的远心照明和摄像系统，其特征在于，所述处理单元根据采样的电流信息，通过单输出的比例积分微分神经元网络进行光强或光亮度衰减补偿，所述单输出的比例积分微分神经元网络包括输入层、隐含层和输出层，其中所述输入层具有两个比例神经元，所述隐含层具有一个比例神经元，一个积分神经元和一个微分神经元，所述输出层具有一个比例神经元，其中，所述输入层的一个比例神经元输入预先设定好的理想工作电流Ref_I，所述输入层的另一个比例神经元输入采样的实际工作电流Real_I，所述单输出的比例积分微分神经元网络处理后输出具有脉冲宽度的控制信号Out_pwm，所述LED光源的驱动信号是基于所述控制信号Out_pwm。
  10. 如权利要求8所述的用于海洋微小生物检测的远心照明和摄像系统，其特征在于，通过使式(3.1)达到最小来完成所述单输出的比例积 分微分神经元网络的网络权重值的自动调整，
    Figure PCTCN2016077702-appb-100001
    其中E为误差评价函数，Ref_I(k)为理想工作电流在k时刻的值，Real_I(k)为实际工作电流在k时刻的值。
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