超大張角多光譜朗伯面照明光源的制作方法
【專利摘要】本發明涉及超大張角多光譜朗伯面照明光源，屬于光學成像測試技術領域。本發明提出在大、小不等半球積分球交界錯位處環形布局多光譜點光源陣列環帶均布光源系統，使點光源陣列環帶均布光源系統發出的光首先照射在大半球上，然后經大半球散射照射到積分球后半球(小半球)內表面上再經過多次散射出射超大張角高均勻的朗伯光源照明；通過多個譜段點光源循環陣列排布和光強切換，來實現超大張角多光譜朗伯面照明，實現強度和光譜的可調，生成多種光譜的均勻朗伯面照明和彩色照明。光源具有亮度高、均勻性好的優點，滿足相機均勻性與光譜響應度的快速檢測與標定需求。本發明可為相機等光電成像設備的像面均勻性與光譜響應檢測提供全新的有效技術途徑。
【專利說明】
超大張角多光譜朗伯面照明光源
技術領域
[0001]本發明屬于光學成像測試技術領域，可用于生成多光譜朗伯面均勻發光面，主要適用于相機等光電成像設備的像面均勻性、光譜響應等參數的檢測。
技術背景
[0002]隨著航天、航空、兵器等國防科技工業領域光電成像系統的迅速發展，眾多光電成像探測平臺新增了高性能的光電成像系統，如大視場巡航彈制導系統、艦船車輛光電探測CCD攝像系統、星載CCD相機、載人飛船交匯對接成像系統和航空測繪相機等都配備了一系列高精度CCD固態圖像傳感器。
[0003]光電成像系統中的核心部件——高精度CCD圖像傳感器是由離散的光敏像元組成的。盡管現代傳感器的幾何尺寸精度很高，但每個像素的響應度仍有所不同，輸出的圖像信號勢必會出現偏差;而且光學鏡頭的設計與加工中引起的漸暈也會影響像面亮度的變化。這兩方面原因會造成光電成像系統像面的不均勻，影響光電成像探測系統對目標的識別能力并加大了圖像處理的難度，甚至產生誤判。
[0004]特別是近年來，光電成像探測系統向多光譜成像和大視場探測能力方向發展。多光譜成像是將目標光波的波長分割成若干個波段，將這若干個波段的影像同時拍攝下來，再將其合成假彩色圖像，使得目標與背景的差別顯示出來。多光譜探測技術可以有效的識破偽裝，更精確的勘察地面情況，根據光譜特性的差異甚至可以判別出物質類型。多光譜成像相機對不同譜段光波的光譜響應度會直接影響其對地目標的光譜探測精度，從而影響對地面物體的判別能力。
[0005]目前，光電成像系統的像面均勻性與光譜響應度的檢測與標定，需要使用積分球與多光譜光源，特別是多光譜朗伯面照明光源系統。測試系統如圖1所示，多光譜光源的出射光線經過在積分球內表面多次散射后，可形成均勻性高于95%的朗伯面。調整被測相機對準積分球出口，拍攝朗伯面，通過分析相機的圖像文件即可得到相機的像面均勻性。再通過調整多光譜光源的出射照度與出射光譜，分析多張不同照度條件下的相機圖像，可得出相機的光譜響應度參數。
[0006]使用現有積分球檢測成像相機性能時，存在以下問題:
[0007]I)積分球多采用寬光譜光源系統，無法產生與多光譜相機特定譜段對應的朗伯面光源照明，難以檢測成像光譜系統譜外特性等參數；
[0008]2)積分球使用的光源多數為類似太陽光譜的鹵鎢燈寬光譜光源，對多光譜相機而言，存在譜外響應的干擾問題；
[0009]3)多光譜積分球的光譜切換是靠更換內置或外置光源實現的，無論是內置還是外置，光源的更換過程都非常復雜，操作時間較長，無法實現多光譜快速切換；
[0010]4)常規積分球由于球內表面接收燈源的直射光，不可能提供一個均勻的朗伯面，因而其出口張角均小于90°，無法實現多光譜大口徑光源照明，難以檢測成像光譜系統譜外特性等參數。
[0011]針對積分球光源存在的以上問題，本發明提出在大、小不等半球積分球交界錯位處環形布局多光譜點光源陣列環帶均布光源系統，使點光源陣列環帶均布光源系統發出的光首先照射在大半球上，然后經大半球散射照射到積分球后半球(小半球)內表面上再經過多次散射出射超大張角高均勻的朗伯光源照明；通過多個譜段點光源循環陣列排布和光強切換，來實現超大張角多光譜朗伯面照明，實現強度和光譜的可調，滿足相機均勻性與光譜響應度的快速檢測與標定需求。
【發明內容】
[0012]本發明的目的是為了滿足相機均勻性與光譜響應度的檢測與標定需求，提出一種超大張角多光譜朗伯面照明光源，其利用大小不等半球雙半積分球散射勻光系統散射多個光譜點光源陣列發出的光線，生成多種光譜的均勻朗伯面照明和彩色照明。
[0013]本發明的目的是通過下述技術方案實現的。
[0014]本發明的超大張角多光譜朗伯面照明光源，包括前半球缺、后半球體、法蘭圓盤、擋光板、多光譜點光源環帶陣列、多光譜點光源環帶陣列驅動電路板、多光譜點光源亮度控制器和多光譜點光源驅動電源，其中前半球缺與后半球體相向貼合在法蘭圓盤兩側，前半球缺半徑大于后半球半徑，多光譜點光源環帶陣列分布在環帶陣列驅動電路板上，多光譜點光源環帶陣列驅動電路板位于法蘭圓盤環帶內側，多光譜點光源亮度控制器通過電路與光源驅動器連接，驅動多光譜點光源陣列發出多光譜光線；多光譜點光源陣列射出的多光譜光線經大、小不等半球內表面多次散射后通過前半球缺中心開孔出射形成多光譜朗伯面照射，擋光板安裝在前半球缺出口四周用于避免點光源對出口的直射。其中，光源驅動器采用性能穩定的恒流源或恒壓源，通過改變電壓或電流的大小調節多光譜點光源陣列的出射亮度。
[0015]本發明的超大張角多光譜朗伯面照明光源中，所述多光譜點光源環帶陣列可以由多個點光源單元構成，相鄰的點光源單元按照均勻排布。
[0016]本發明的超大張角多光譜朗伯面照明光源中，所述多光譜點光源亮度控制器可以動態切換多光譜點光源環帶陣列的發射光譜，形成光譜輪閃。
[0017]本發明的超大張角多光譜朗伯面照明光源中，所述多光譜點光源環帶陣列可以由多個點光源單元構成，每個點光源單元由3個不同譜段的點光源構成，相鄰的點光源按照等邊三角形排布。每個點光源單元可以由紅色、綠色和藍色3個譜段的點光源構成。
[0018]本發明的超大張角多光譜朗伯面照明光源中，所述多光譜點光源環帶陣列可以由多個點光源單元構成，每個點光源單元由4個不同譜段的點光源構成，相鄰的點光源按照正方形排列。每個點光源單元可以由紅色、綠色、藍色和近紅外4個譜段的點光源構成。
[0019]本發明的超大張角多光譜朗伯面照明光源中，所述多光譜點光源亮度控制器通過多光譜點光源環帶陣列驅動電路板中的點光源單元控制電路實現動態切換紅色、綠色和藍色3個譜段的點光源的發光強度，進行三元色RGB混色，形成彩色朗伯面照明
[0020]本發明的超大張角多光譜朗伯面照明光源中，所述點光源可以是單光譜LED或多光譜LED或光纖點光源。
[0021]本發明的超大張角多光譜朗伯面照明光源中，所述多光譜朗伯面照明光源的低亮度照明是通過點亮多光譜點光源環帶陣列上相隔120°并分別經勻光衰減切換器衰減的三個點光源或三個點光源單元來實現的。
[0022]本發明的超大張角多光譜朗伯面照明光源，還可以包括操作界面，操作界面通過信號線與光源控制器連接。
[0023]本發明的超大張角多光譜朗伯面照明光源，還可以包括操作界面、網絡、計算機，其中計算機通過網絡與操作界面連接。
[0024]有益效果
[0025]本發明對比已有技術具有以下顯著優點:
[0026]I)超大張角多光譜朗伯面照明光源可利用大小不等半球雙半積分球的散射勻光系統散射多光譜LED點光源陣列發出的光線，生成多種非連續特定譜段的超大張角均勻朗伯面照明，這是區別于已有技術的創新點之一。
[0027]2)超大張角多光譜朗伯面照明光源可利用多光譜點光源亮度控制器動態控制紅色、綠色和藍色3個譜段的LED點光源的強度，進行三元色RGB混色，形成超大張角彩色朗伯面照明，這是區別于已有技術的創新點之二。
[0028]3)通過多光譜點光源亮度控制器動態切換多光譜LED點光源陣列的發射光譜，形成超大張角彩色朗伯面光譜頻閃照明，可用于相機的光譜動態響應檢測，這是區別于已有技術的創新點之三。
[0029]本發明特點:
[0030]I)通過改變各個光譜的發光強度，可實現多光譜混色，實現超大張角真彩色朗伯面照明。
[0031]2)光源可以采用穩流或穩壓方式驅動多光譜LED點光源陣列產生，與脈寬調制(PffM)的調光方式相比，光源穩定性好。
[0032]3)可以通過計算機與網絡與操作界面連接，實現光源的計算機遠程控制。
【附圖說明】
[0033]圖1為積分球測量相機均勻性測試裝置簡圖；
[0034]圖2為本發明超大張角多光譜朗伯面照明光源裝置示意圖；
[0035]圖3為本發明中多光譜點光源正三角形排列單元環帶陣列；
[0036]圖4為本發明中多光譜點光源正方形排列單元環帶陣列；
[0037]圖5為本發明中多光譜點光源單元控制電路示意圖；
[0038]圖6為本發明超大張角多光譜朗伯面照明光源系統實施例示意圖；
[0039]圖7為LED照明單元驅動電路板反面示意圖；
[0040]圖8為LED燈的電路連接關系不意圖；
[0041]其中，1-后半球體、2-前半球缺、3-法蘭圓盤、4-多光譜點光源環帶陣列、5-多光譜點光源環帶陣列驅動電路板、6-擋光板、7-多光譜點光源亮度控制器、8-多光譜點光源驅動電源、9-LED照明單元、10-紅色LED燈、11-綠色LED燈、12-藍色LED燈、13-近紅外LED燈、14-光源電控柜、15-計算機控制系統、16-單片機、17-串口電路、18-可調恒流源、19-可調恒流源、20-可調恒流源、21-可調恒流源、22-紅色LED燈陣列、23-綠色LED燈陣列、24-藍色LED燈陣列和25-近紅外LED燈陣列、26-被測相機進光口、27-積分球、28-多光譜光源、29-積分球出口、30-勻光衰減切換器。
【具體實施方式】
[0042]下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明。
[0043]本發明的基本思想是通過光源控制器調整光源驅動器的輸出電流或電壓，實現多光譜LED陣列的光譜切換與光照度調節，進而借助超大張角多光譜朗伯面照明光源系統進行多次散射生成超大張角朗伯面多光譜光源照明。
[0044]實施例
[0045]本實施例是針對通光口徑300mm被測相機的超大張角多光譜朗伯面照明光源，可生成紅、綠、藍、近紅外四個光譜的均勻超大張角朗伯面發光面和紅、綠、藍三色混色的彩色超大張角朗伯面照明。
[0046]如圖6所示，超大張角多光譜朗伯面照明光源系統中包括后半球體1、前半球缺2、法蘭圓盤3、多光譜點光源環帶陣列4、擋光板5、多光譜點光源環帶陣列驅動電路板6、多光譜點光源亮度控制器7、多光譜點光源驅動電源8、光源電控柜14和計算機控制系統15等構成。
[0047]其中:
[0048]后半球體I與前半球缺2相向貼合在法蘭圓盤3兩側，多光譜點光源環帶陣列驅動電路板6位于法蘭圓盤3環帶內側，多光譜點光源亮度控制器7與光源電控柜14相連，多光譜點光源環帶陣列4射出的多光譜光線經前半球缺2和法蘭圓盤3的大、小不等半球內表面多次散射后通過前半球缺2中心開孔出射形成多光譜朗伯面照射。
[0049]多光譜點光源環帶陣列驅動電路板6通過電纜與多光譜點光源亮度控制器7和多光譜點光源驅動電源8連接，而多光譜點光源亮度控制器7和多光譜點光源驅動電源8又連接到光源電控柜14，計算機控制系統15通過串口信號線與多光譜點光源驅動電源8連接。
[0050]多光譜點光源環帶陣列驅動電路板6、多光譜點光源亮度控制器7和多光譜點光源驅動電源8均由光源電控柜14供電，計算機控制系統15通過光源電控柜14控制多光譜點光源亮度控制器7和多光譜點光源驅動電源8，再通過多光譜點光源環帶陣列驅動電路板6中的點光源單元控制電路來實現超大張角朗伯面多光譜光源照明光源的產生和照度調節。[0051 ] 如圖3所示，多光譜點光源環帶陣列4由1024個LED照明單元9組成，相鄰LED單元之間的水平間距與垂直間距相同。LED照明單元9可以由3種光譜的LED燈構成，3個LED燈呈三角形排列，其中紅色LED燈10的波長為620nm，綠色LED燈11的波長為525nm，藍色LED燈12的波長為465nm。
[0052]如圖4所示，多光譜點光源環帶陣列4由1024個LED照明單元9組成，相鄰LED單元之間的水平間距與垂直間距相同。LED照明單元9可以由4種光譜的LED燈構成，4個LED燈呈正方形排列，LED燈之間的水平間距與垂直間距相同，其中紅色LED燈1的波長為620nm，綠色LED燈11的波長為525nm，藍色LED燈12的波長為465nm，近紅外LED燈13的波長為850nmo
[0053]多光譜朗伯面照明光源的低亮度照明通過點亮多光譜點光源環帶陣列4上相距120°并分別經勻光衰減切換器30衰減的三個點光源或三個點光源單元來實現的。
[0054]如圖5所示，計算機控制系統15通過光源電控柜14控制多光譜點光源亮度控制器7和多光譜點光源驅動電源8，通過多光譜點光源環帶陣列驅動電路板6中的點光源單元控制分別實現多光譜LED照明單元9中紅色LED燈10、綠色LED燈11、藍色LED燈12和近紅外LED燈13的亮度調節。
[0055]圖7為多光譜點光源環帶陣列驅動電路板6的反面，由單片機16、串口電路17、可調恒流源18、可調恒流源19、可調恒流源20、可調恒流源21、紅色LED燈陣列22、綠色LED燈陣列23、藍色LED燈陣列24和近紅外LED燈陣列25構成。其中的單片機16是光源控制器，可調恒流源18、可調恒流源19、可調恒流源20、可調恒流源21是光源驅動器。單片機16分別通過電路與可調恒流源18、可調恒流源19、可調恒流源20、可調恒流源21連接。單片機16可以通過串口電路17與計算機控制系統15相連，并根據串口電路17接收到的控制指令，分別配置各個可調恒流源的驅動電流值。四個可調恒流源采用恒流驅動芯片LT3598，其中可調恒流源18為多光譜點光源環帶陣列4中的36個紅色LED燈提供電流、可調恒流源19為多光譜點光源環帶陣列4中的36個綠色LED燈提供電流、可調恒流源20為多光譜點光源環帶陣列4中的36個藍色LED燈提供電流、可調恒流源21為多光譜點光源環帶陣列4中的36個近紅外LED燈提供電流。
[0056]圖8為四個可調恒流源與多光譜點光源環帶陣列驅動電路板6中LED燈的電路連接關系圖。其中6個紅色LED燈串聯成一組，6組串聯的紅色LED燈陣列22與可調恒流源18連接；6個綠色LED燈串聯成一組，6組串聯的綠色LED燈陣列23與可調恒流源19連接;6個藍色LED燈串聯成一組，6組串聯的藍色LED燈陣列24與可調恒流源20連接;6個近紅外LED燈串聯成一組，6組串聯的近紅外LED燈陣列25與可調恒流源21連接。
[0057]上述技術方案的優點在于:
[0058]超大張角多光譜朗伯面照明光源利用超大張角多光譜朗伯面照明光源系統進行多次散射生成超大張角朗伯面多光譜光源照明，可以生成多種光譜的均勻朗伯面，并且朗伯面的照度可調。
[0059]多光譜光源電路板6中的單片機16可以通過可調恒流源18、可調恒流源19、可調恒流源20和可調恒流源21動態切換多光譜點光源環帶陣列4的發射光譜，形成光譜輪閃。
[0060]多光譜光源電路板6中的單片機16可以通過可調恒流源18、可調恒流源19和可調恒流源20和可調恒流源21改變多光譜點光源環帶陣列4的發射光譜強度，實現多光譜混色，出射超大張角真彩色朗伯面照明。
[0061]多光譜點光源環帶陣列驅動電路板6采用LT3598芯片構建可調恒流源，驅動多光譜點光源環帶陣列4，與PffM的驅動方式相比，光源亮度穩定，沒有高頻閃爍。
[0062]使用者可以通過計算機控制系統15的操作界面控制單片機16，改變可調電流源的驅動電流，實現多光譜點光源環帶陣列4的光譜切換與光照度調節。
[0063]以上結合附圖對本發明的【具體實施方式】作了說明，但這些說明不能被理解為限制了本發明的范圍，本發明的保護范圍由隨附的權利要求書限定，任何在本發明權利要求基礎上的改動都是本發明的保護范圍。
【主權項】
1.超大張角多光譜朗伯面照明光源，其特征在于:包括前半球缺(2)、后半球體(I)、法蘭圓盤(3)、擋光板(5)、多光譜點光源環帶陣列(4)、多光譜點光源環帶陣列驅動電路板(6)、多光譜點光源亮度控制器(7)和多光譜點光源驅動電源(8);其中前半球缺(2)與后半球體(I)相向貼合在法蘭圓盤(3)兩側，前半球缺(2)半徑大于后半球體(I)半徑，多光譜點光源環帶陣列(4)分布在多光譜點光源環帶陣列驅動電路板(6)上，多光譜點光源環帶陣列驅動電路板(6)位于法蘭圓盤(3)環帶內側，多光譜點光源亮度控制器(7)通過電路與光源驅動器連接，驅動多光譜點光源陣列(4)發出多光譜光線；多光譜點光源陣列(4)射出的多光譜光線經大、小不等半球內表面多次散射后通過前半球缺(2)中心開孔出射形成多光譜朗伯面照射，擋光板(5)安裝在前半球缺(2)出口四周用于避免點光源對出口的直射。其中，光源驅動器采用性能穩定的恒流源或恒壓源，通過改變電壓或電流的大小來調節多光譜點光源陣列(4)的出射亮度。2.根據權利I所述的超大張角多光譜朗伯面照明光源，其特征在于:所述多光譜點光源環帶陣列(4)由多個點光源單元構成，相鄰的點光源單元按照均勻排布。3.根據權利I所述的超大張角多光譜朗伯面照明光源，其特征在于:所述多光譜點光源亮度控制器(7)動態切換多光譜點光源環帶陣列(4)的發射光譜，形成光譜輪閃。4.根據權利2所述的超大張角多光譜朗伯面照明光源，其特征在于:所述多光譜點光源環帶陣列(4)由多個點光源單元構成，每個點光源單元由3個不同譜段的點光源構成，相鄰的點光源按照等邊三角形排布。5.根據權利2所述的超大張角多光譜朗伯面照明光源，其特征在于:所述多光譜點光源環帶陣列(4)由多個點光源單元構成，每個點光源單元由4個不同譜段的點光源構成，相鄰的點光源按照正方形排列。6.根據權利4所述的超大張角多光譜朗伯面照明光源，其特征在于:每個點光源單元包括由紅色、綠色和藍色3個譜段的點光源構成。7.根據權利5所述的超大張角多光譜朗伯面照明光源，其特征在于:每個點光源單元可以由紅色、綠色、藍色和近紅外4個譜段的點光源構成。8.根據權利6所述的超大張角多光譜朗伯面照明光源，其特征在于:所述多光譜點光源亮度控制器(7)通過多光譜點光源環帶陣列驅動電路板(6)中的點光源單元控制電路實現動態切換紅色、綠色和藍色3個譜段的點光源的發光強度，進行三元色RGB混色，形成彩色朗伯面照明。9.根據權利2所述的超大張角多光譜朗伯面照明光源，其特征在于:所述點光源可以是單光譜LED或多光譜LED或光纖點光源。10.根據權利I所述的超大張角多光譜朗伯面照明光源，其特征在于:所述多光譜朗伯面照明光源的低亮度照明是通過點亮多光譜點光源環帶陣列(4)上相距120°并分別經勻光衰減切換器(30)衰減的三個點光源或三個點光源單元來實現的。
【文檔編號】F21V19/00GK106090700SQ201610391484
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年6月6日 公開號201610391484.6, CN 106090700 A, CN 106090700A, CN 201610391484, CN-A-106090700, CN106090700 A, CN106090700A, CN201610391484, CN201610391484.6
【發明人】趙維謙, 邱麗榮, 周桃庚
【申請人】北京理工大學