作为线光源的照明装置和图像采集系统的制作方法

本发明涉及照明装置和图像采集系统，尤其涉及一种具有高光强的作为线光源的照明装置和采用该照明装置的图像采集系统。

背景技术：

目前，列车车厢侧面包含有列车编号等信息，对高速运行的列车车厢进行图像采集，然后提取车厢图像中的信息进行统计分析，实现在不停车的前提下获取列车的信息，是统计管理列车信息的必要手段。在采集列车图像时，通常，由于光照不足，需要配备光源进行补光。为图像采集系统补光的光源有面光源和线光源。线光源主要用于配合线阵相机采集图像数据使用。

目前市场上绝大多数线光源，在5000mm处测量光强时，其实际光强不大于8000Lux，照明范围不大于1000mm。这种线光源很难满足在恶劣条件下，例如夜晚、雨雪天、雾霾天，拍摄列车图像的要求。

目前市场上绝大多数线光源存在投射距离短、范围小、光强低的缺陷，而应用于铁路、高速公路等场景的图像采集系统迫切需要远距离、大范围、高亮度的线光源。

技术实现要素：

本发明正是鉴于上述问题而完成的，其目的在于提供一种光强高、照射范围大的作为线光源的照明装置以及采用这种照明装置的图像采集系统。

本发明一方面提供了一种作为线光源的照明装置，包括：一维排列的多个LED元件，其分别发出散射光；多个第一会聚元件，其分别接收从所述多个LED元件发出的散射光，将其会聚成彼此叠加的多个面光斑；第二会聚元件，其接收从所述多个第一会聚元件分别发出的所述多个面光斑，将其会聚成线光斑。

优选地，所述多个LED元件按规定间隔布置在导热基板上，所述导热基板固定连接至所述壳体。

优选地，所述多个面光斑是半径相等的圆光斑，每个圆光斑的中心之间的距离等于其半径。

优选地，所述第一会聚元件为凸透镜，所述多个凸透镜与所述多个LED元件隔开规定间隔对置，所述凸透镜的直径略小于所述多个LED元件的间隔。

优选地，所述第二会聚元件为柱面透镜。

本发明另一方面提供了一种用于列车的图像采集系统，包括：照明装置，其设置在所述龙门两侧，对通过所述龙门的列车进行照明，图像采集装置，其设置在所述龙门两侧，在所述照明装置对所述列车进行照明时，采集通过所述龙门的列车的图像，所述照明装置包括：壳体；以及容纳在所述壳体内的照明单元，照明单元包括：一维排列的多个LED元件，其分别发出散射光；多个第一会聚元件，其分别接收从所述多个LED元件发出的散射光，将其会聚成彼此叠加的多个面光斑；第二会聚元件，其接收从所述多个第一会聚元件分别发出的所述多个面光斑，将其会聚成线光斑。

优选地，所述多个LED元件按规定间隔布置在导热基板上，所述导热基板固定连接至所述壳体。

优选地，所述多个面光斑是半径相等的圆光斑，每个圆光斑的中心之间的距离等于其半径。

优选地，所述第一会聚元件为凸透镜，所述多个凸透镜由透镜支架支承，使得所述多个凸透镜与所述多个LED元件隔开规定间隔对置，所述凸透镜的直径略小于所述多个LED元件的间隔。

优选地，所述第二会聚元件为柱面透镜，所述柱面透镜固定连接至所述壳体。

优选地，所述图像采集装置为线阵相机，其采用高速快门对通过所述龙门的列车进行图像采集。

本发明的照明装置采用第一会聚元件和第二会聚元件对LED元件发出的光进行二次会聚，使LED元件发出的光尽可能少地浪费，并且经过一次会聚的光斑彼此叠加，提高了能量密度，因此能够获得高亮度、大范围的线光源。本发明的照明装置在2000mm处测量光强达到16000Lux、有效照明范围达2000mm，即使在夜间环境下也可以无损耗地稳定地进行照明，尤其适用于铁路、高速公路等场景的图像采集。

附图说明

图1是表示本发明的照明装置的立体图。

图2是本发明的照明装置的安装状态图。

图3是本发明的照明单元的结构的示意图。

图4是本发明的LED元件的排列方式的示意图。

图5是本发明的LED元件与凸透镜的位置关系的示意图。

图6A、图6B分别是本发明的柱面透镜部的正视图和剖视图。

图7是本发明的照明装置的柱面透镜的入射面上的光斑叠加的示意图。

图8是本发明的照明装置的整体光路图。

图9是图8的沿A-A线截取的示意性光路图。

图10是本发明的照明装置的线光源的光强测试图。

图11是本发明的图像采集系统的示意图。

图12是图11的图像采集系统的局部放大图。

具体实施方式

下面参照附图详细说明本发明的实施方式。

首先，对本发明的照明装置的结构进行说明。图1是表示本发明的照明装置1的立体图。

如图1所示，本发明的照明装置1由壳体2以及容纳在壳体2内的照明单元(图1中未示出)组成。壳体2呈四棱柱状、圆柱状或局部半圆形结构，作用是覆盖并保护照明单元。壳体2的形状并不限于图1所示，可以根据需要适当设计。

图2是本发明的照明装置的安装状态图。参照图2，本发明的照明装置1的两个端部设置有支架20a和20b，支架20a和20b的截面呈L型，通过至少一组U型固定件22a、22b可以固定在期望的位置。

下面参照图3-9更详细地说明本发明的照明装置1的结构。

图3是本发明的照明单元的结构的示意图。图4是本发明的LED元件的排列方式的示意图。

如图3和图4所示，照明装置1的照明单元3包括：一维排列的多个LED元件4，其分别发出散射光；多个第一会聚元件5，其分别接收从多个LED元件4发出的散射光，将其会聚成彼此叠加的多个面光斑；第二会聚元件6，其接收从多个第一会聚元件5分别发出的多个面光斑，将其会聚成线光斑。

参照图4和图5，多个LED元件4按规定间隔布置在导热基板7上。导热基板7固定连接至壳体2(未示出)。例如，导热基板7可以是铝基板。

虽然图中未示出，但是应该理解，本发明的照明装置1还具有与外部电源相连接的电源接线。

图5是本发明的LED元件与凸透镜的位置关系的示意图。

参照图5，第一会聚元件5为凸透镜，多个凸透镜5由透镜支架8支承，使得多个凸透镜5与多个LED元件4隔开规定间隔对置。为了让LED元件4发出的光尽可能多地被凸透镜5接收，凸透镜5的直径可以略小于LED元件4的间隔。

应该理解，虽然图5中示出的是平凸透镜，但是也可以采用双凸、凹凸透镜，只要能够实现光束会聚作用即可。

图6A、图6B分别是本发明的柱面透镜部的正视图和剖视图。

在本发明的优选实施例中，第二会聚元件6为柱面透镜。柱面透镜6通过任意适当的连接装置固定连接至壳体2。在照明装置1中，柱面透镜6的轴向方向与多个LED元件4的一维排列方向一致，并且平坦的一面面对透镜5，即，作为光入射表面，可参见图3。

如图6A的正视图所示，柱面透镜6的光入射表面为矩形。图6B是沿图6A的B-B线截取的截面图。如图6B所示，柱面透镜6为圆柱棱镜。当然，这仅仅是个示例。本发明的照明装置1可以采用任意其他类型的柱棱镜，只要能够将入射的面光斑会聚为线光斑即可。

图7是本发明的照明装置的柱面透镜的入射面上的光斑叠加的示意图。

在本发明的照明装置1中，LED元件4发出的光经过凸透镜5会聚后，形成对应的多个面光斑。在图7中，这些面光斑是半径相等的圆光斑9。并且每个圆光斑9的中心之间的距离等于其半径。这可以通过适当设定LED元件4、凸透镜5与柱面棱镜6之间的距离来实现。

通过使每个圆光斑9的中心之间的距离等于其半径，这些圆光斑9彼此叠加后得到的面光斑，一方面亮度得到了大约2倍的增强，另一方面均匀性也得到了保证，从而为得到高亮度、大射程的线性光源提供了良好的基础。

图8是本发明的照明装置的整体光路图。

如图8所示，在本发明的照明装置1的照明单元3中，多个LED元件4之间、多个凸透镜5之间以及柱面棱镜6构成了整个光路。通过适当调节三者之间的距离关系，可以在出射距离为2000mm处获得高度为2000mm的线光斑。

凸透镜5与LED元件4相对一侧的基准面距离散热基板7的垂直距离优选为3-12mm，例如，可以为3、3.5、4、4.5、5、5.5、6、6.5、7、8、9、10、11、12mm。

图9是图8的沿A-A线截取的示意性光路图。

如图9所示，LED元件4发出的散射光经由凸透镜5进行了一次会聚，被会聚成彼此叠加的多个面光斑(参照图7)。柱面棱镜6接收从凸透镜5分别发出的多个面光斑，将其会聚成线光斑。

由于从LED元件4发出的光，最大程度地进入凸透镜5，损失的光能量很小，并且多个LED元件4产生的光斑叠加在一起，又进一步增强了光能量密度，因此本发明的照明装置1发射出的光强能够达到8000-20000勒克斯，甚至更高。

图10是本发明的照明装置的光强测试图。

通过计算机模拟，本发明的照明装置1在2000毫米的距离处可以获得大约16000勒克斯的光强。与现有技术的线光源相比，光照强度显著提高，光照距离明显增加，能量利用率也得到了提升。因此，本发明的照明装置1非常适合应用在铁路、高速公路等领域，对高速行驶的车辆进行图像采集，而且能够应对极端天气状况的光照不足。

本发明的基本原理，是利用聚光镜将LED发出的点光源会聚为面光源，再由柱透镜将面光源会聚为线光源，在此过程中，面光源彼此叠加，进一步增大了光强密度。

下面参照图11-12说明采用本发明的照明装置1的图像采集系统。

图11是本发明的图像采集系统的示意图。

如图11所示，本发明的图像采集系统10包括：龙门11，其跨接在铁轨12上；照明装置1，其设置在龙门11两侧，对通过龙门11的列车进行照明；图像采集装置13，其设置在龙门11两侧(图11中仅示出了一侧)，在照明装置1对列车进行照明时，采集通过龙门11的列车车厢侧面的图像。

图12是图11的图像采集系统的局部放大图。

如图12所示，在龙门11的一侧上，照明装置1和图像采集装置13上下并排设置。照明装置1作为线光源对行驶过的列车进行照明，与此同时，图像采集装置13对车厢侧面进行图像采集。

照明装置1包括：壳体；以及容纳在所述壳体内的照明单元，照明单元包括：一维排列的多个LED元件，其分别发出散射光；多个第一会聚元件，其分别接收从所述多个LED元件发出的散射光，将其会聚成彼此叠加的多个面光斑；第二会聚元件，其接收从所述多个第一会聚元件分别发出的所述多个面光斑，将其会聚成线光斑。

照明装置1的结构已经在上文进行了详细说明，此处不再赘述。

由于采用了本发明的照明装置1，对于车厢侧面的照明可以达到足够的强度，根据上文所述，照明装置与车厢侧面之间的距离约为2000mm。这种情况下，可以在车厢侧面得到高度约为2000mm，亮度约为16000勒克斯的线光斑。

图像采集装置13可以为线阵相机，其采用高速快门对通过龙门的列车车厢进行图像采集。

以上对本发明的照明装置1和采用该照明装置1的图像采集系统10进行了说明。照明装置1采用第一会聚元件和第二会聚元件对LED元件发出的光进行二次会聚，使LED元件发出的光尽可能少地浪费，并且经过一次会聚的光斑彼此叠加，提高了能量密度，因此能够实现高亮度、大范围的线光源。

因此，本发明的照明装置在2000mm处测量光强达到16000Lux、有效照明范围达2000mm，即使在夜间环境下也可以无损耗地稳定地进行照明，尤其适用于铁路、高速公路等场景的图像采集。

另外，本发明的图像采集系统结构简单、成本效益高、安装维护极为方便、运行稳定，非常适合应用在铁路、高速公路等领域，对高速行驶的车辆进行图像采集，而且能够应对极端天气状况的光照不足。

以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施例，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进。这些变型和改进也视为本发明的保护区间。