CN113805404B - 一种用于线扫描光电成像的均匀照明装置 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种用于线扫描光电成像的均匀照明装置，涉及光电成像技术领域，均匀照明装置包括：漫反射器，整体呈圆筒状，漫反射器的内壁面包括周侧面、第一端面以及第二端面，周侧面上开设有条形出光口以及条形进光口，条形出光口以及条形进光口均由第一端面沿所述漫反射器的轴向延伸至第二端面，条形进光口位于条形出光口的侧方；积分球光源安装于漫反射器上，积分球光源具有光输出口；光纤导光组件，具有进光端以及多个出光端，进光端位于光输出口，出光端位于条形进光口，且多个出光端沿漫反射器的轴向均匀排布。将均匀照明装置可以输出均匀的线形扫描光束，适用于高精度的线扫描光电成像。

Description

一种用于线扫描光电成像的均匀照明装置

技术领域

本申请涉及光电成像技术领域，尤其涉及一种用于线扫描光电成像的均匀照明装置。

背景技术

均匀光源照明是主动照明成像中对光照的基本技术要求。目前有采用各种LED照明直接获得均匀照明的技术方案，但大多用于景观或室内照明，对照度均匀性的要求较低，不适用于高精度的线扫描光电成像。

发明内容

本申请提供一种用于线扫描光电成像的均匀照明装置，适用于高精度的线扫描光电成像，用以解决目前的均匀照明装置不适用于高精度的线扫描光电成像的问题。

具体的，本申请提供一种用于线扫描光电成像的均匀照明装置，包括：

漫反射器，整体呈圆筒状，所述漫反射器为空心密闭结构；所述漫反射器的内壁面包括周侧面、第一端面以及第二端面，所述周侧面上开设有条形出光口以及条形进光口，所述条形出光口以及所述条形进光口均由第一端面沿所述漫反射器的轴向延伸至所述第二端面，所述条形进光口位于所述条形出光口的侧方；所述周侧面包括与所述条形出光口相对设置的第一部分，所述第一部分上开设有开孔；

积分球光源，安装于所述漫反射器上，所述积分球光源具有光输出口；

光纤导光组件，具有进光端以及多个出光端，所述进光端位于所述光输出口，所述出光端位于所述条形进光口，且多个所述出光端沿所述漫反射器的轴向均匀排布。

本申请的有益效果为：将均匀照明装置应用于线扫描光电成像中时，在第一部分的开孔处安装光谱相机，并使光谱相机的镜头对准条形出光口，打开积分球光源，积分球光源的光输出口输出的光通过光纤导光组件传输至条形进光口，并通过条形进光***入漫反射器内，光在漫反射器的内壁上发生多次漫反射，进行均匀混光后从条形出光***出，以输出均匀的线形扫描光束，此时通过驱动器驱动均匀照明装置或成像目标沿垂直于漫反射器轴向的方向来回移动，同时通过光谱相机对成像目标进行图像采集即可实现高精度的线扫描光电成像。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或相关技术中的技术方案，下面将对实施例或相关技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请一实施例中均匀照明装置的整体结构示意图；

图2为本申请一实施例中漫反射器的结构示意图；

图3为本申请一实施例中光纤导光组件的结构示意图；

图4为本申请一实施例中周侧面的部分结构示意图。

附图标记：

10、漫反射器；11、圆弧面；111、第一部分；112、第二部分；12、底平面；13、第一端面；14、第二端面；15、条形出光口；16、条形进光口；17、开孔；20、积分球光源；30、光纤导光组件；31、第一适配器；32、第二适配器；321、支架；322、卡口；33、导光光纤；40、支撑座；50、光谱相机。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

本申请提供一种用于线扫描光电成像的均匀照明装置，可以解决目前的均匀照明装置不适用于高精度的线扫描光电成像的问题。

具体的，如图1至图4所示，所述均匀照明装置包括漫反射器10、积分球光源20以及光纤导光组件30。

其中，漫反射器10整体呈圆筒状，所述漫反射器10为空心密闭结构；所述漫反射器10的内壁面包括周侧面、第一端面13以及第二端面14，所述周侧面上开设有条形出光口15以及条形进光口16，所述条形出光口15以及所述条形进光口16均由第一端面13沿所述漫反射器10的轴向延伸至所述第二端面14，所述条形进光口16位于所述条形出光口15的侧方；所述周侧面包括与所述条形出光口15相对设置的第一部分111，所述第一部分111上开设有开孔17；需要说明的是，漫反射器10的制备材料可以为铝、铁或铜等不透明的金属，当然，漫反射器10的制备材料也可以为不透明的塑料或木材等材料，本申请不做具体限制。

积分球光源20安装于所述漫反射器10上，所述积分球光源20具有光输出口；需要说明的是，积分球光源20又称为光通球光源，是一个中空的完整球壳，积分球光源20的内壁涂白色漫反射层，且内壁各点漫射均匀，球体上开设一个或几个用作光输出口的窗孔，相比于LED等光源，积分球光源20可以输出光谱混合更加均匀的光，积分球光源20的具体工作原理在相关技术中早有公示，本申请不做赘叙。

光纤导光组件30具有进光端以及多个出光端，所述进光端位于所述光输出口，所述出光端位于所述条形进光口16，且多个所述出光端沿所述漫反射器10的轴向均匀排布。

可以理解的是，均匀排布是指任意两个相邻的出光端之间的间距均相同，相邻两个出光端之间的间距可以根据实际需求进行选择，本申请不做具体限制，一般而言，相邻两个出光端之间的间距越小，均匀照明装置的照明越均匀；光纤可以让光像电流一样沿着导线传输，从而使得光纤导光组件30可以通过进光端导入光输出口输出的光，并通过出光端将光导出至条形进光口16，光纤的具体导光原理在相关技术中早有公示，本申请也不做赘叙。

需要说明的是，在本申请中，将均匀照明装置应用于线扫描光电成像中时，在第一部分111的开孔17处安装光谱相机50，并使光谱相机50的镜头对准条形出光口15，打开积分球光源20，积分球光源20的光输出口输出的光通过光纤导光组件30传输至条形进光口16，并通过条形进光口16射入漫反射器10内，光在漫反射器10的内壁上发生多次漫反射，进行均匀混光后从条形出光口15射出，以输出均匀的线形扫描光束，此时通过驱动器驱动均匀照明装置沿垂直于漫反射器10轴向的方向来回移动，或者均匀照明装置保持不动，而通过驱动器驱动成像目标沿垂直于漫反射器10的轴向的方向移动，同时通过光谱相机50对成像目标进行图像采集即可实现高精度的线扫描光电成像，线扫描光电成像的具体工作原理在相关技术中早有公示，本申请不做赘叙。

可以理解的是，相比于在漫反射器10的第一端面13和第二端面14上使用LED光源提供照明，并利用漫反射器10形成线形扫描光束，此时即使在第一端面13和第二端面14上的LED光源具有对称性，也很难保证漫反射器10输出沿漫反射器10的轴向延伸的均匀线形扫描光束；而在本申请中，条形进光口16沿漫反射器10的轴向延伸，并且多个出光端在条形进光口16处均匀排布形成点光源阵列，可以保证漫反射器10输出沿漫反射器10的轴向延伸的均匀线形扫描光束，具体原理可以通过理论分析或专业照明仿真软件（如Trace Pro）通过仿真计算得出，本申请不做赘叙。

需要说明的是，均匀照明装置还可以应用于成像光谱仪中，利用均匀照明装置对成像目标进行光谱图像采集后，得到成像目标的完整光谱图像，根据待测目标的完整光谱图像以及相关算法还可以获得待测目标各点的颜色测量值，从而完成对待测目标的颜色测定，根据光谱图像计算颜色测量值的方法在现有技术中早有公示，本申请不做赘叙。

可以理解的是，由于均匀照明装置可以输出更加均匀的光照，将均匀照明装置应用于成像光谱仪中时，可以减小对待测目标进行颜色测定时的测量误差，并且积分球光源20可以输出光谱混合更加均匀的光，可以满足包括紫外、可见以及近红外的全光谱范围内的照明，应用范围较广，结合狭缝式线形扫描光束推扫的成像模式形成光谱成像，特别适用于艺术画作的数字博物典藏光谱成像、夜间无人机对地观测光谱成像、水下光谱成像或密闭室内无光照条件下的光谱成像，可以极大限度地减小杂散光照的影响，同时，避免一次大幅面成像时双向散射分布（Bidirectional Scattered Distribution Function，BSDF）问题的困扰，从而可以达到更高的光谱测量精度。

参见图1至图3所示，在本申请一些实施例中，所述光纤导光组件30包括第一适配器31、第二适配器32以及导光光纤33。

具体的，第一适配器31位于所述光输出口；第二适配器32位于所述条形进光口16且与所述漫反射器10连接，所述第二适配器32包括沿所述漫反射器10的轴向排布的支架321，所述支架321上设置有多个卡口322，多个所述卡口322沿所述漫反射器10的轴向排布；所述导光光纤33的一端通过所述第一适配器31与所述积分球光源20连接，用于接入所述光输出口输出的光；所述导光光纤33的另一端卡接于所述卡口322，用于将所述光输出口输出的光导出至所述条形进光口16；所述导光光纤33设置有多根，且所述导光光纤33与所述卡口322一一对应。

需要说明的是，导光光纤33与第一适配器31连接的一端为光纤导光组件30的进光端，导光光纤33与第二适配器32连接的一端为光纤导光组件30的出光端，光输出口输出的光可以通过导光光纤33导出至条形进光口16，支架321上的卡口322可以对导光光纤33的出光端进行限位，从而使得所有导光光纤33的出光端沿漫反射器10的轴向均匀排布。

其中，所有导光光纤33的进光端可以完全重合以形成导光光纤束，以在保证积分球光源20的光输出口可以满足所有导光光纤33的导光需求的前提下，减小光输出口的尺寸，使得光输出口尽可能小，从而提高光输出口输出的光的均匀性。

需要说明的是，所有导光光纤33的直径一致且长度相等，积分球光源20可以输出光谱混合均匀的光，从而可以确保耦合进每根导光光纤33的光能在整个谱段上光谱分布的一致性。

在本申请一实施例中，导光光纤33可以由成本低廉的聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA，亚克力）等塑料制成。

需要说明的是，漫反射器10的条形出光口15输出的光的照明强度，取决于单根导光光纤33的通光直径和积分球光源20的发光强度；一般而言，积分球光源20的发光功率越高，耦合进导光光纤33的光能就越多；单根导光光纤33的直径越大，耦合进单根导光光纤33的光能就越大。

以积分球光源20的光输出口输出的单位面积光强是σ、条形进光口16沿漫反射器10的轴向的长度是L以及单根导光光纤33的直径是D为例，则导光光纤33的数量N为：

。

光纤导光组件30从积分球光源20传输至漫反射器10中的光能E为：

。

由上述可知，E和D成正比，选用直径尽可能大的导光光纤33，可以使得传输至漫反射器10中的光能E越高，漫反射器10输出的线形扫描光束的照明强度越大；而现有的导光光纤33一般采用熔融石英制成，并且一般应用于光通信领域，主要满足光信号传导，因此，现有的熔融石英导光光纤的直径较小，一般最大为50微米，而本申请中的导光光纤33需要传导光能量，因此，采用PMMA等塑料制成导光光纤33，塑料导光光纤33的直径可以做到3000微米。

在本申请一实施例中，支架321上固定有紧固卡块，漫反射器10的端部处设置有与紧固卡块配合的卡口322，紧固卡块卡接于卡口322中，以实现支架321在漫反射器10上的安装。

继续参见图1至图3所示，在本申请一实施例中，所述条形进光口16设置有两条，且两条所述条形进光口16关于一预设平面A对称分布，所述预设平面A与所述条形进光口16垂直设置。

其中，所述光纤导光组件30设置有两组，且一组光纤导光组件30的出光端位于一个条形进光口16，另一组光纤导光组件30的出光端位于另一个条形进光口16。

需要说明的是，通过设置两个条形进光口16，并为每个条形进光口16配置光纤导光组件30，两个条形进光口16均可以向漫反射器10内输入光，从而可以提高漫反射器10输出的线形扫描光束的照明强度，同时两个条形进光口16关于预设平面A对称分布，可以提高漫反射器10输出的线形扫描光束的均匀性。

还需要说明的是，可以仅设置一个积分球光源20，并将两组光纤导光组件30均与一个积分球光源20连接；当然，也可以设置两个积分球光源20，并将一组光纤导光组件30与一个积分球光源20连接，另一组光纤导光组件30与另一个积分球光源20连接。

参见图2至图4所示，在本申请一实施例中，所述周侧面还包括第二部分112，所述出光端朝向所述第二部分112，所述第二部分112与所述第一部分111以及所述条形出光口15间隔设置。

可以理解的是，若出光端朝向条形出光口15时，出光端发出的光会直接通过条形出光口15射出，若条形出光口15朝向第一部分111时，第一部分111为周侧面上与条形出光口15相对设置的部分，出光端发出的大部分光会在第一部分111上发生反射后通过条形出光口15射出，导致光在漫反射器10内混光不够均匀，从而导致漫反射器10输出的线形扫描光束的均匀性较差。

而在本申请中，由于出光端朝向第二部分112，则出光端发出的光最先射向第二部分112，出光端发出的光在通过在第二部分112上发生漫反射后射向周侧面的其他部分，从而使得出光端发出的光可以在漫反射器10内发生多次漫反射，以提升漫反射器10输出的线形扫描光束的均匀性。

继续参见图2至图4所示，在本申请一实施例中，所述周侧面包括圆弧面11以及底平面12，所述底平面12由所述第一端面13沿所述漫反射器10的轴向延伸至所述第二端面14。

其中，所述条形出光口15位于所述底平面12，所述第一部分111位于所述圆弧面11；可以理解的是，使用均匀照明装置时，条形出光口15位于漫反射器10的底部，底平面12可以在使用漫反射器10时使得漫反射器10放置的更加平稳，并且底平面12越小，则底平面12上的条形出光口15越窄，从而使得从条形出光口15射出的线性扫描光束的均匀性越高，并且条形出光口15越窄，从条形进光口16射入漫反射器10内的光从条形出光口15直接射出的概率越小，从而使得从条形进光口16射入漫反射器10内的光可以在漫反射器10内充分反射。

进一步的，所述开孔17位于所述第一部分111的中心，以便于安装于开孔17处的光谱相机50进行图像采集。

进一步的，所述圆弧面11、所述第一端面13以及所述第二端面14上覆盖有聚四氟乙烯漆层，所述底平面12上覆盖有黑漆层。

需要说明的是，聚四氟乙烯漆层为白漆层，可以对光进行漫反射，而黑漆层可以吸收光线，黑漆可以是聚氨酯漆。

还需要说明的是，聚四氟乙烯漆对于光谱段在200纳米-2500纳米范围内的光具有极高的反射率，而PMMA制成的导光光纤33对光谱段在350纳米-1600纳米范围内的光具有较高的透过率，因此本申请中，均匀照明装置的响应光谱段为350纳米-1600纳米，可以满足利用低成本光谱相机50（如硅基电荷耦合元件或互补式金属氧化物半导体相机，硅基电荷耦合元件和互补式金属氧化物半导体相机的响应光谱段为350纳米-1050纳米）实现线扫描光电成像的技术需求。

继续参见图2至图4所示，在本申请一实施例中，所述第一端面13以及所述第二端面14均为六分之五圆周，可以理解为第一端面13的圆弧部分的周长为第一端面13的轮廓所在圆的周长的六分之五，第二端面14的圆弧部分的周长为第二端面14的轮廓所在圆的周长的六分之五。

需要说明的是，当漫反射器10的长度和漫反射器10的端面的直径之比越大时，越难保证漫反射器10输出的线形扫描光束的均匀性，在本申请中，漫反射器10的端面的圆弧部分占圆周的比例越大，漫反射器10的内壁面中圆弧面11占内壁面的比例越大，从条形进光口16射入漫反射器10内的光在漫反射器10的内壁面中可能经历的漫反射的次数就越多，从而使得漫反射器10输出的线形扫描光束越均匀。

具体的，如图1和图2所示，所述均匀照明装置还可以包括支撑座40，所述漫反射器10安装于所述支撑座40上，所述条形出光口15靠近所述支撑座40设置，所述支撑座40上设置有与所述条形出光口15对应的条形开口，所述条形开口与所述条形出光口15连通；支撑座40远离漫反射器10的一侧为平面，支撑座40可以在使用均匀照明装置时使得均匀照明装置放置的更加平稳，同时便于将均匀照明装置或成像目标沿垂直于漫反射器10的轴向的方向移动。

进一步的，所述漫反射器10与所述支撑座40可拆卸连接，所述积分球光源20与所述漫反射器10可拆卸连接，所述光纤导光组件30与所述积分球光源20以及所述漫反射器10可拆卸连接，照明装置中的各部件可以通过螺栓连接、卡接或铆接等可拆卸连接方式连接，以便于均匀照明装置中各部件的装卸。

以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于线扫描光电成像的均匀照明装置，其特征在于，包括：

漫反射器，整体呈圆筒状，所述漫反射器为空心密闭结构；所述漫反射器的内壁面包括周侧面、第一端面以及第二端面，所述周侧面上开设有条形出光口以及条形进光口，所述条形出光口以及所述条形进光口均由第一端面沿所述漫反射器的轴向延伸至所述第二端面，所述条形进光口位于所述条形出光口的侧方；所述周侧面包括与所述条形出光口相对设置的第一部分，所述第一部分上开设有开孔；

积分球光源，安装于所述漫反射器上，所述积分球光源具有光输出口；

光纤导光组件，具有进光端以及多个出光端，所述进光端位于所述光输出口，所述出光端位于所述条形进光口，且多个所述出光端沿所述漫反射器的轴向均匀排布。

2.根据权利要求1所述的用于线扫描光电成像的均匀照明装置，其特征在于，所述光纤导光组件包括：

第一适配器，位于所述光输出口；

第二适配器，位于所述条形进光口且与所述漫反射器连接，所述第二适配器包括沿所述漫反射器的轴向排布的支架，所述支架上设置有多个卡口，多个所述卡口沿所述漫反射器的轴向排布；

导光光纤，所述导光光纤的一端通过所述第一适配器与所述积分球光源连接，用于接入所述光输出口输出的光；所述导光光纤的另一端卡接于所述卡口，用于将所述光输出口输出的光导出至所述条形进光口；所述导光光纤设置有多根，且所述导光光纤与所述卡口一一对应。

3.根据权利要求1或2所述的用于线扫描光电成像的均匀照明装置，其特征在于，所述条形进光口设置有两条，且两条所述条形进光口关于一预设平面对称分布，所述预设平面与所述条形进光口垂直设置；

其中，所述光纤导光组件设置有两组，且一组光纤导光组件的出光端位于一个条形进光口，另一组光纤导光组件的出光端位于另一个条形进光口。

4.根据权利要求3所述的用于线扫描光电成像的均匀照明装置，其特征在于，所述周侧面还包括第二部分，所述出光端朝向所述第二部分，所述第二部分与所述第一部分以及所述条形出光口间隔设置。

5.根据权利要求1所述的用于线扫描光电成像的均匀照明装置，其特征在于，所述周侧面包括圆弧面以及底平面，所述底平面由所述第一端面沿所述漫反射器的轴向延伸至所述第二端面；

其中，所述条形出光口位于所述底平面，所述第一部分位于所述圆弧面。

6.根据权利要求5所述的用于线扫描光电成像的均匀照明装置，其特征在于，所述开孔位于所述第一部分的中心。

7.根据权利要求5所述的用于线扫描光电成像的均匀照明装置，其特征在于，所述圆弧面、所述第一端面以及所述第二端面上覆盖有聚四氟乙烯漆层，所述底平面上覆盖有黑漆层。

8.根据权利要求1所述的用于线扫描光电成像的均匀照明装置，其特征在于，所述第一端面以及所述第二端面均为六分之五圆周。

9.根据权利要求1所述的用于线扫描光电成像的均匀照明装置，其特征在于，所述均匀照明装置还包括支撑座，所述漫反射器安装于所述支撑座上，所述条形出光口靠近所述支撑座设置，所述支撑座上设置有与所述条形出光口对应的条形开口，所述条形开口与所述条形出光口连通。

10.根据权利要求9所述的用于线扫描光电成像的均匀照明装置，所述漫反射器与所述支撑座可拆卸连接，所述积分球光源与所述漫反射器可拆卸连接，所述光纤导光组件与所述积分球光源以及所述漫反射器可拆卸连接。

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