专利名称：一种可调谐多光谱视觉检测光源的制作方法
技术领域：
本发明涉及机器视觉检测技术领域，特别是涉及一种可调谐多光语视觉检测光源。
背景技术：
美国制造工程师协会(SME)机器视觉分会和美国机器人工业协会的自动化视觉分会对机器视觉下的定义是"机器视觉是通过光学的装置和非接触的传感器自动地接收和处理真实物体的图像，以获得所需信息或用于控制机器人涌动的装置。"简单的说，机器视觉就是用机器代替人眼来做测量和判断。在一些不适合于人工作业的危险工作环境或人工视觉难以满足要求的场合，常用机器视觉来替代人工视觉;同时在大批量工业生产过程中，用人工视觉检查产品质量效率低且精度不高，用机器视觉对产品质量进行检测的方法可以大大提高产品的生产效率和生产的自动化程度。
视觉检测在经历了基于灰度图像(单色光)、基于彩色图像(可见光多色光)的发展技术成熟后，目前，基于光谱图像技术的视觉检测逐渐成为一个热点。
光谱图像是一 系列光波波长处的光学图像(光源有特定的波长)，光谱范围可以在紫外(波长为200 ~ 400nm )、可见光(波长为400 ~ 760nm )、近红外(波长为760-2560nm)以及波长大于2560nm的区域。 一幅光谱图像数据是三维的，称为一个图像块。其中有二维的数据是图像象素的坐标信息，第三维是波长信息。 一般认为，光语分辨率在10—'义数量级范围内称为多光镨(Multi-spectral )，光镨分辨率在10-2义数量级范围内称为高光谱
(Hyper-spectral ),光谱分辨率在10—^数量级范围内称为超光镨
(Ultra-spectral
光谱图像包含了物体丰富的空间、辐射和光谱三重信息，这些信息既表现了地物空间展布的影像特征，同时也可能以其中某一像元或像元组为目标获得它们的辐射强度以及光语特征。光语图像技术结合了光谦技术与计算机技术两者的优点，可以获得大量包含连续波长光谱信息的图像块，
其图像信息可4企测;故测物外部(可见光可感测)品质的检测，光谱4言息则可用于被测物内部(可见光不能感测)品质的4企测。
目前，主要有两种方法来获取多(高)光谱图像， 一种为基于滤波器或滤波片的多光谱图像采集方法，这种方法通过连续采集一系列波革殳条件下样品的二维图像，即在每个波长Ki(i-l、 2、 3... 、 n; n为正整数)得到一幅二维图像，从而得到三维多(高)光镨图像块。
另外一种为基于成像光谱仪的多光语图像采集方法，该成像光镨仪系统采用"扫帚式"成像方法得到高光语图像，即用线列或面阵探测器在光学焦面的垂直方向作横向排列完成横向扫描，获取样品对象条状空间中每个像素在各个波长下的图像信息；同时样品在视觉检测系统的输送带前进过程中，排列的探测器如同刷子扫地一样扫出一条带状轨迹从而完成纵向扫描，综合横纵扫描信息就可得到样品的三维多(高)光谱图像数据。
但是，以上两种多光语图像采集方法的具体实现过程都比较复杂，因此，目前迫切需要开发出一种可调谐多光谱视觉检测光源，可以简单方便地采集多光语图像,使得工业产品的视觉检测可以基于多光谱图像来进行，有利于视觉检测装置的广泛生产应用。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种可调谐多光语视觉检测光源，可以通过时分复用的方法控制不同谱段的LED灯曝光，实现简单方便地进行多光谱图像的采集，使得工业产品的视觉检测可以基于多光谱图像来进行，有利于视觉检测装置的广泛生产应用，具有重大的生产实践意义。
为此，本发明提供了一种可调谐多光谱视觉检测光源，包括
电源模块，用于分别对复杂可编程逻辑器件CPLD控制模块、发光二极管LED阵列驱动模块、LED阵列模块进行供电；
CPLD控制模块，用于时分复用地形成多路控制信号并传送给LED阵列驱动模块；
LED阵列驱动模块，用于根据CPLD控制模块所传来的控制信号，驱动LED阵列模块中的光源导通；LED阵列模块，包含有多种具有不同语段的光源，用于在LED阵列驱动模块的驱动下，这些光源时分复用地进行曝光，最终形成多光i普的光。
优选地，所述CPLD控制模块中包含有复杂可编程逻辑器件CPLD,该CPLD用于利用不同的输入信号来时分复用地控制LED阵列模块104中不同光源的通断和发光时间。
优选地，所述LED阵列模块包含有均匀相间且环形方式排列的红色LED、蓝色LED、绿色LED、近红外LED和紫外LED形成的五种光源。优选地，所述五种光源中的同种LED采用串并结合的方式进行排列。优选地，所述LED阵列模块与一个可调电阻相串联。由以上本发明提供的技术方案可见，与现有技术相比较，本发明提出了 一种可调谐多光语视觉检测光源，可以通过时分复用的方法控制不同语段的LED灯曝光，实现简单方便地进行多光语图像的采集，使得工业产品的视觉检测可以基于多光镨图像来进行，有利于视觉检测装置的广泛生产应用，具有重大的生产实践意义。
图1是本发明提供的一种可调谐多光语视觉检测光源的结构示意图；图2是本发明提供的LED阵列模块中LED灯进行串并联排列的模式
图3为本发明提供的一种可调谐多光谱视觉检测光源的具体结构框架
图4为LED阵列模块所包含的不同颜色的LED光源的排列模式图；图5为利用本发明提供的可调谐多光语视觉检测光源的视觉图像采集系统的示意图。
具体实施例方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细i兌明。
本发明通过时分复用的方法控制不同谱段的发光二极管(LED)灯曝光，从而实现时分复用地进行多光i普图像采集，参见图1，本发明提供的一种可调谐多光镨视觉检测光源包括有电源模块101、复杂可编程逻辑 器件(Complex Programmable Logic Device, CPLD)控制才莫块102、 LED 阵列驱动模块103和LED阵列模块104，其中，
电源模块101，分别与CPLD控制模块102、 LED阵列驱动模块103、 LED阵列模块104相连接，用于分别对CPLD控制模块102、 LED阵列驱 动模块103、 LED阵列才莫块104进行供电；
在本发明中，鉴于电源模块101主要的功能为给CPLD控制模块102、 LED阵列驱动模块103、 LED阵列模块104供电，因此，本发明利用电源 模块101中所包含的电源转换电路，将220V的交流电(市电)分别转换 为直流的24V、 15V、 3.3V。即采用直流电24V给LED阵列模块104中的 各个LED灯供电，以使得LED灯将以串并结合的方式排列，以及采用直 流电15V给LED阵列驱动模块103供电，采用直流电3.3V给CPLD控制 模块102供电。
需要说明的是，电源模块101中所包含的电源转换电路包括有电压器 和降压稳压器，具体实现上，采用变压器将220V的交流电转换为24V的 直流电，然后通过降压稳压器，分别将24V的直流电转换为CPLD控制模 块103所需要的15V、 LED阵列驱动模块104所需要的3.3V。
上述的串并结合方式，参见图2，例如为将6个LED灯与一个限流 电阻串在一起接在24V与地之间，由于本发明不限于采用6个LED灯， 可以采用多个LED灯，如采用16路前述的串联模式，即将16路的具有6 个LED串联的电路进行并联。
CPLD控制模块102，与LED阵列驱动模块103相连接，用于时分复 用地形成多路控制信号并传送给LED阵列驱动模块103;
如图3所示，CPLD控制模块102主要有晶振电路、调试下载电路、 输入输出接口 、复杂可编程逻辑器件CPLD组成。晶振电路用于为CPLD 提供时钟，本控制模块优选为采用振荡频率为50HZ的晶振电路。鉴于调 试下载电路是用来给CPLD进行编程使用的，本控制模块采用JTAG接口 电路进行程序的烧写。输入输出接口用来接收控制信号和向驱动模块发送 信号。本控制模块的控制模式有两种， 一种是单路信号控制，即有5路摄 像机的控制信号输入，具体工作方式如下，将揭/fl^几的5路输出接到CPLD
6上，即控制器的输入，每一路代表一种LED灯。当此路有控制信号时，通 过CPLD控制相应路的输出，进而达到不同LED阵列的照明。 一种是SPI 总线控制模式，它采用3路输入，即SDI(数据输入)、SCK(时钟)、CS (片选)。SPI总线控制模式的工作过程为由SCK提供时钟脉冲，SDI 则基于此脉沖完成数据传输，而CPLD根据输入的数据进行逻辑判断，控 制相应路的输出，进而达到不同LED阵列的照明。
设备供电完毕后，CPLD将通过所接受摄像机输出的控制信号进行控 制。如前所述，此信号有两种方式 一种是单路控制方式， 一共有5路摄 像机的控制信号输入，每一路对应一种LED灯，CPLD用于才艮据不同输入 信号的脉沖宽度控制不同光源的照明时间，并利用不同的控制输入信号来 时分复用地控制LED阵列模块104中不同光源的通断，具体实现上，本发 明采用5路输入分别控制LED阵列模块104中的5种LED灯的通断；另 一种控制方式为采用3路输入，采用串行外围设备接口 SPI总线协议，实 现对LED阵列模块104中不同光源的选择与照明时间的调节，实现5种 LED灯的通断。
需要说明的是，CPLD根据摄像机供给的信号，按一定的次序轮流使 5路摄像机的输入通断，从而实现时分复用。才艮据实际需要，将所需的照 明方式编程存储在摄^4几当中，当摄像机接收到曝光信号时，按照预先编 程所设定的顺序，使每路按不同的时间顺序通断，从而实现时分复用地多 光i普照射。
LED阵列4莫块104中不同光源的照明时间是通过对CPLD编程进行控 制的。当CPLD接收到脉沖信号，根据预先编写的程序，判断哪路光源照 明，同时根据输入脉冲的宽度，输出一个相同宽度的脉冲给驱动电路，使 得当前选择的光源进行照明，而照明时间即是对应脉沖的宽度，从而CPLD 实现根据不同输入信号的脉沖宽度控制不同光源的照明时间。
SPI总线是一种高速同步串行口，是一种三线同步总线，因其硬件功 能很强，与SPI有关的软件就相当简单，使4聂像机CPU有更多的时间处理 其他事务。因此本发明提供了 SPI控制方式。
根据实际需要，将所需的光源顺序写入摄^^几的CPU中，当摄^^几接 收到曝光信号，就会把预先设定的数据通过SPI总线传给CPLD， CPLD根据预先设定的程序对数据进行判断，根据判断结果，向所需光源的驱动 电路发出 一个相应的脉冲信号。从而实现了照明选择和控制。
还需要说明的是，时分复用的方法是把要完成的若干子任务，按一定 的时间顺序完成，每一个时间段完成一个子任务，并以循环的方式周而复 始的进行。
通过时分复用的方法控制不同谱段LED灯光源进行曝光是指，在某一 时刻使一种颜色的灯曝光，下一个时刻使另一种颜色的灯曝光，这样，使 得五种颜色的LED灯依次曝光，并以循环的方式周而复始的进行。
LED阵列驱动模块103,与LED阵列才莫块104相连接，用于根据CPLD 控制模块102所传来的控制信号，驱动LED阵列模块104中的光源导通；
如图3所示，LED阵列驱动模块103包括有光耦电路，反相器电路、 开关三极管。光耦电路内主要为一个发光二极管和光电三级管，当给光耦 一个信号，使得发光二极管亮，则会使光电三级管导通，从而使输出产生 一个低电平。具体的工作过程为CPLD给光耦电路一个低电平时，光耦 电路导通，输出一个低电平，通过一个反相器给一个开关三极管供电，最 终使得LED阵列模块104导通，从而实现照明。
需要说明的是，当CPLD输出高电平时(3.3V)时，它的输出电流4艮 小，还不到10mA，因此达不到光耦电路对驱动电流的要求，而当CPLD 输出为低电平时，它的输入电流可以承受25mA的电流。满足光耦电路的 驱动电流要求。故采用CPLD输出为低电平时驱动LED阵列。具体的工作 过程为当输入以有效电平时，CPLD经过逻辑判断运算，向对应路径输 入一个时常与输入电平相同的低电平，控制光耦电路导通。
需要说明的是，上述CPLD才艮据输入的信号来驱动不同的LED阵列， 根据CPLD的自身参数及驱动能力的要求，实时地利用了 CPLD的灌电流。
此外，需要说明的是，光耦电路具有两个输入端， 一个为正端， 一个 为负端。将CPLD的输入接到光耦电路的负输入端上，光耦电路的正端接 电源，在当CPLD输出为低时，光耦电路实现导通，进而正常工作。
LED阵列模块104,与LED阵列驱动模块103相连接，包含有多种具 有不同谱段的光源，用于在LED阵列驱动模块103的驱动下，这些光源时 分复用地进行曝光，最终形成多光镨的光。本发明主要釆用CPLD来时分复用的控制在光源圓环上均匀分布的五 色LED灯的发光时间瓦&光亮度。LED阵列才莫块104采用了五种LED灯 作用光源，实现了光源的光谱可调。该五色LED灯分别为红光(波长 650nm)、绿光(波长568nm)、蓝光(波长465nm)、红外(波长900證)、 紫外(波长365nm)。通过CPLD的控制实现光源的发光光谱可调、发光 时间可调、发光亮度可调。
LED阵列模块104采用环形光源的形式来排列五种LED灯，同种LED 灯的排列采用串并结合的方式，使得电压波动对光源的亮度影响较小。同 时各种LED灯采用均匀相间的方式排列，如图4所示。
LED阵列模块104中的光源结构如图4所示，由红色发光二极管(Light Emitting Diode, LED) 1、蓝色LED2、绿色LED3、近红外LED4和紫 外LED 5等5种光源组合而成，采用时分复用的方式进行多光谱图像采集 和处理。
上述的串并结合方式，参见图2，例如为将6个LED灯与一个限流 电阻串在一起接在24V与地之间，由于本发明不限于采用6个LED灯， 可以采用多个LED灯，如采用16路前述的串联模式，即将16路的具有6 个LED灯串联的电路进行并联。
此外，结合图3所示，可知在本发明中，LED灯串联的电路与一个限 流电阻串联，且多路具有LED灯的串联电路进行并联后，与一个可调电阻 串联，从而本发明在使用时，可以通过调节可调电阻来实现LED阵列模块 104中光源亮度的调节。
机器视觉系统多用于工业现场，系统与器件的维护是应用中的重要问 题。常用的几种可见光源白炽灯、日光灯、水4艮灯和钠光灯，这些光源的 一个最大缺点是光不能保持长期稳定，衰减较快。发光二极管(LED)光 源作为一种新型的半导体发光材料，具有体积小、重量轻、《更于集成，工 作电压低、耗电少、驱动简便、容易用计算机控制，单色性好、发光亮度 高、发光效率高、亮度便于调整等优点，使得其用作工业检测设备的光源 优势非常明显，是机器视觉系统光源制作的首选器件。
鉴于目前市场上出现的比较成熟的LED光源多为单色光源，如红、蓝、 绿、白、红外、紫外等的点、线、面阵及多角度光源。每一种光源，只能发出特定波语范围的光，这样在基于多光镨技术的视觉检测的应用中就受 到了限制。因此，需要一种特定的光源，使得其发光光语可调，能够采集
多光谱图像。本发明提出用时分复用的方法控制不同镨段的LED灯曝光， 从而时分复用的进行多光语图像采集。该光源是一种光镨可调、发光时间 可调M光强度可调的多光语光源设备。
具体实现上，基于本发明提出的可调谐多光语视觉检测光源的视觉图 像采集系统如5所示。该系统的工作过程为放置在传送带上的被测物， 经过位置传感器时，会由位置传感器产生一个触发信号，触发相机时分复 用地控制光源上不同光语LED灯曝光，开始进行一套多光谱图像的采集。 接到相机开始工作的信号后，会触发多光镨光源的曝光。首先，红色LED 灯曝光，相机动作摄录一幅图像；然后依次绿色LED灯曝光，摄录一幅图 像；蓝色LED灯曝光，摄录一幅图像；红外LED曝光，摄录一幅图像； 紫外LED灯曝光，摄录一幅图像一一从而，对该被测物完成一幅多光谱图 像的采集。传送带运动，当下一个被测物到来时，重复上面的过程，最终 完成当前被测物的多光谱图像采集。
综上所述，本发明具有以下的优点
1、 通过时分复用的方法控制不同餚、歐的LED灯曝光，可以在限定时 间内采集多谱段图像，使得视觉检测可以基于多镨段图像信息进行。
2、 采用五种不同谱4史的LED灯在一个圆环形上均匀排列组合，形成 成一个多光语光源，即充分利用了 LED光源的优势，又实现了光谱可调。
2、 用CPLD进行LED光源发光时间的控制，能够4艮据实际情况更好 的满足机器视觉系统的照明要求，实现了光源根据相机的曝光时间进行照 明，即照明时间可调。
3、 对LED的驱动电路进行控制，实现LED发光亮度的可调。根据工 业现场及被检测物体的需求不同，对于光源的发光亮度要求也有所不同， 本发明可以通过对LED驱动电路进行控制实现亮度可调。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的 普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进 和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
权利要求
1、一种可调谐多光谱视觉检测光源，其特征在于，包括电源模块，用于分别对复杂可编程逻辑器件CPLD控制模块、发光二极管LED阵列驱动模块、LED阵列模块进行供电；CPLD控制模块，用于时分复用地形成多路控制信号并传送给LED阵列驱动模块；LED阵列驱动模块，用于根据CPLD控制模块所传来的控制信号，驱动LED阵列模块中的光源导通；LED阵列模块，包含有多种具有不同谱段的光源，用于在LED阵列驱动模块的驱动下，这些光源时分复用地进行曝光，最终形成多光谱的光。
2、 如权利要求1所述的可调谐多光语视觉检测光源，其特征在于，所 述CPLD控制模块中包含有复杂可编程逻辑器件CPLD，该CPLD用于利 用不同的输入信号来时分复用地控制LED阵列;漠块104中不同光源的通断 和发光时间。
3、 如权利要求1所述的可调谐多光语视觉检测光源，其特征在于，所 述LED阵列模块包含有均匀相间且环形方式排列的红色LED、蓝色LED、 绿色LED、近红外LED和紫外LED形成的五种光源。
4、 如权利要求3所述的可调谐多光谱视觉检测光源，其特征在于，所 述五种光源中的同种LED采用串并结合的方式进行排列。
5、 如权利要求1至4中任一项所述的可调谐多光谱视觉检测光源，其 特征在于，所述LED阵列模块与一个可调电阻相串联。
全文摘要
本发明公开了一种可调谐多光谱视觉检测光源，包括电源模块，用于分别对CPLD控制模块、LED阵列驱动模块、LED阵列模块进行供电；CPLD控制模块，用于时分复用地形成多路控制信号并传送给LED阵列驱动模块；LED阵列驱动模块，用于根据CPLD控制模块所传来的控制信号，驱动LED阵列模块中的光源导通；LED阵列模块，包含有多种具有不同谱段的光源，用于在LED阵列驱动模块的驱动下，这些光源时分复用地进行曝光，最终形成多光谱的光。本发明的可调谐多光谱视觉检测光源，可通过时分复用地控制不同谱段的LED灯曝光，简单方便地进行多光谱图像的采集，使工业产品的视觉检测可以基于多光谱图像来进行，具有重大生产实践意义。
文档编号G01J3/10GK101498605SQ20091006799
公开日2009年8月5日 申请日期2009年3月2日 优先权日2009年3月2日
发明者张宝峰, 朱均超, 李晓慧, 韩芳芳 申请人:天津理工大学