[发明专利]一种LED多光谱偏振平行光源及其光斑检测方法

权利要求书

1.一种LED多光谱偏振平行光源，其特征在于，包括：发光模块、整形调制模块、准直模块和固定结构；

所述发光模块包括：散热风扇(1)、散热块(3)、LED板(4)；

所述调制模块包括：光阑(6)、扩散片(14)、第二压圈(13)；

所述准直模块包括：镜筒(7)、准直透镜(8)、第一压圈(11)；

所述固定结构包括：紧固螺钉(2)、LED板固定座(5)、转接头(9)、锁紧螺母(12)；

所述LED板(4)的正面焊有若干个LED灯，且同一波段的LED灯串联；串联后的每个波段的LED灯分别由一个多路LED光源恒流驱动器的一路驱动；

所述LED板(4)的背面设有所述散热块(3)，并通过散热锡脂与所述LED板(4)粘合；

所述LED板(4)通过所述LED板固定座(5)固定在外壳上；在所述外壳的上方通过紧固螺钉(2)设有朝向所述散热块(3)的散热风扇(1)；在所述外壳的下方插入有所述镜筒(7)，并通过锁紧螺母(12)固定；

在所述镜筒(7)内部上方的壳体上设有光阑(6)，所述光阑(6)的表面粘贴有偏振膜，在所述偏振膜上设有扩散片(14)，并通过第二压圈(13)固定；

所述镜筒(7)的内部下方设有所述准直透镜(8)，并通过第一压圈(11)固定在镜筒(7)的底部，所述镜筒(7)的底部通过转接头(9)与遮光罩(10)连接；所述遮光罩(10)设置在所述平行光源和探头之间；

目标光束从所述发光模块的LED板(4)发出，并依次经过所述调制模块的扩散片(14)、光阑(6)及偏振膜后，形成若干束偏振光，再依次经过准直模块的镜筒(7)、准直透镜(8)后输出若干束含偏振信息的平行光。

2.根据权利要求1所述的一种LED多光谱偏振的平行光源，其特征在于：所述光阑(6)上设置有针孔阵列(61)。

3.根据权利要求1所述的一种LED多光谱偏振的平行光源，其特征在于：所述LED电路板(4)上各波段LED灯的数量按如下步骤计算：

步骤1：计算LED灯在各波段的响应亮度；

步骤1.1：使用光谱仪采集LED灯在任一指定波段的带宽范围内的亮度响应值，并计算所述指定波段在带宽范围内的平均亮度L_mean；

步骤1.2：计算其他所有波段对所述指定波段影响的亮度之和L′，从而得到所述指定波段在带宽范围内的总平均亮度L_sum＝L_mean+L′；

步骤2：计算各波段的LED灯的实际使用数量；

步骤2.1：定义L_G为所述探头在指定波段的典型入瞳亮度，并计算比例值λ＝L_sum/L_G；

步骤2.2：根据所述LED电路板(4)上的LED灯的总数，设定各波段的LED灯的参考数量为N₀，计算所述指定波段的LED灯的理论数量N′＝N₀/λ，从而对N′进行向上取整或是向下取整后得到指定波段的LED灯的实际使用数量N。

4.一种LED多光谱偏振平行光源的光斑检测方法，其特征在于，是利用如权利要求1所述的平行光源，并包括以下步骤：

步骤1：图像预处理；

步骤1.1：利用所述探头采集所述平行光源的M×N帧图像，其中，M表示所述探头的通道数，N表示采集次数；将所述M×N帧图像中同一波段且同一偏振方向的N帧图像作为一组图像，从而得到M组图像；

将除本底通道外的M-1组图像分别按像元逐一取灰度平均值，得到每组的一帧初始亮场图像，从而得到M-1帧初始亮场图像；

步骤1.2：将所述平行光源关闭，并搭建暗室，在黑暗环境下利用所述探头按步骤1.1的过程采集M通道对应积分时间下的N帧本底图像，并计算除本底通道外的M-1组本底图像像对应的M-1帧暗场图像；

步骤1.3：将第e帧初始亮场图像按像元逐一减去第e帧暗场图像对应像元的灰度值，得到第e帧原始图像，从而得到M-1帧原始图像；1≤e≤M-1；

步骤1.4：将第e帧原始图像上坏点的灰度值由其周围像元灰度值的中值替代，从而得到第e帧标准图像；

步骤1.5：遍历第e帧标准图像中的每个像元，并将高于所选阈值h₂的像元保留，低于所选阈值h₂的像元用“0”代替，从而得到第e帧阈值化后的参考图像；

步骤2：光斑区域检测；

步骤2.1：按照从左往右、从上到下遍历第e帧阈值化后的参考图像中的每个像元，当检测到第一个非零值时，将相应像元的灰度值用标记值“1”代替；

步骤2.2：继续从左往右、从上到下遍历参考图像中的每个像元，令当前遍历到的像元坐标为(a，b)，取坐标为(a-1，b-1)、(a，b-1)、(a-1，b)、(a-1，b+1)的四个相邻像元；

定义当前像元及四个相邻像元的标记值分别为DN(a，b)、DN(a-1，b-1)、DN(a，b-1)、DN(a-1，b)、DN(a-1，b+1)；

定义变量g，并初始化g＝2；

步骤2.3：对第e帧参考图像中遍历到的当前像元的标记值DN(a，b)进行如下处理，从而得到遍历后的第e帧中间图像：

(1)当DN(a，b)≠0且DN(a-1，b-1)、DN(a，b-1)、DN(a-1，b)、DN(a-1，b+1)不同时为“0”时，将相邻四个相邻像元中不为零的像元标记值赋予DN(a，b)；

(2)当DN(a，b)≠0但DN(a-1，b-1)、DN(a，b-1)、DN(a-1，b)、DN(a-1，b+1)全为零时，令DN(a，b)＝g，同时将g+1赋值给g；

(3)当DN(a，b)＝0时，不处理；

步骤2.4：将第e帧中间图像中的每个像元再按照从右往左、从上到下进行遍历，并执行步骤2.3的处理过程，从而得到第e帧标记图像；

步骤2.5：遍历第e帧标记图像中的每个像元，并将同一种标记值的像元的坐标存储在对应的集合中，令s为标记图像的像元中任意一种标记值，则标记值为s的像元的坐标存储在集合A_s中，从而得到包含第s个光斑覆盖区域所有坐标信息的集合A_s；令t为A_s中所含的坐标个数；令集合A_s中任意第i个坐标为(x_si，y_si)，i∈[1，t]；

步骤3：解算质心；

步骤3.1：解算质心位置：

定义DN_i为第e帧标准图像中坐标为(x_si，y_si)像元的灰度值，利用式(4)求解第s个光斑对应质心位置(x_s，y_s)：

步骤3.2：解算质心灰度值：

对第s个光斑的质心坐标(x_s，y_s)的重心坐标向下取整后得到坐标求取像素坐标的灰度均值，并作为质心灰度值DN_s；进而由第e帧标记图像中各种标记值所对应的光斑的质心坐标和质心灰度构成集合A；

步骤3.3：前后质心匹配：

步骤3.3.1：对所述探头进行所需试验后，按照步骤1.1-步骤3.2的过程，得到由第e帧标记图像中各种标记值所对应的质心坐标和质心灰度值组成的集合B；

取z_p＝(x_p，y_p，DN_p)∈A，z_q＝(x_q′，y_q′，DN_q′)∈B；其中，z_p是集合A中第p个元素，(x_p，y_p)是第p个光斑的质心坐标，DN_p是第p个光斑的灰度值；z_q是集合B中第q个元素，(x_q，y_q)是第q个光斑的质心坐标，DN_q是第q个光斑的灰度值；1≤p≤u，u为A内元素个数；1≤q≤v，v为B内元素个数；

步骤3.3.2：初始化p＝1；

步骤3.3.3：利用式(5)分别计算(x_p，y_p)与(x_q′，y_q′)的直线距离z_pq，从而得到(x_p，y_p)与集和B中所有元素坐标的直线距离集合C：

步骤3.3.4：从直线距离集合C中找到最小直线距离z_pqmin在集合B中所对应的质心坐标的下标qmin，则集合B中第qmin个光斑的灰度值变化率为(DN_qmin-DN_p)/DN_p×100％；

步骤3.3.5，将p+1赋值给p后，返回步骤3.3.3顺序执行，直到p＞u为止，从而得到所有光斑在探头试验前、后的位移绝对值和灰度值变化率。