利用混合滤光器进行波长依赖成像和检测的方法及系统的制作方法

专利名称：利用混合滤光器进行波长依赖成像和检测的方法及系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及利用混合滤光器进行波长依赖成像和检测的方法及系统。
背景技术：
对物体进行检测或成像存在许多应用。检测物体即判断物体是否存在，而成像则产生物体的图像。根据应用，物体可以在白昼或黑暗中被成像或检测。
波长依赖成像是一种对物体进行成像或检测的技术，通常涉及捕获由物体反射出或传播通过物体的一个或多个特定波长。在某些应用中，仅需要日光照明或环境照明来对物体进行检测或成像，而在其他应用中需要额外照明。但是光以许多不同波长传播通过大气，包括可见波长和不可见波长。因此，由于感兴趣的波长不可见，所以难以检测这类波长。
图1示出了太阳光辐射、发光二极管和激光的谱图。如可见的，激光的光谱100非常窄，而发光二极管(LED)的光谱102相比激光的光谱较宽。太阳光辐射相比LED和激光，具有非常宽的光谱104。在白天，同时存在的宽光谱的太阳辐射可能使得检测由对肉眼安全的LED或激光发射出的和从物体反射出的光相当具有挑战性。太阳辐射可能主导检测系统，并致使来自对肉眼安全的光源的相对弱的散射变得相对较小。
此外，某些滤光材料表现出明显的吸收谱峰，并带有向特定波长延伸的拖尾。图2描绘了滤光谱图200，其中具有吸收峰202和朝向较短波长一侧的拖尾204。当感兴趣的波长(例如，λ1和λ2)间距很近时，可能就难以区别或检测一个或多个特定波长。例如，在图2中，滤光材料有效地吸收了波长为λ2的光。但是，它也会部分地吸收以波长λ1传播的光。这可能导致难以检测以波长λ1传播的光的量。

发明内容
根据本发明，提供了利用混合滤光器进行波长依赖成像和检测的方法及系统。通过发射不同波长光的单个宽带光源或多个光源来照明待成像或待检测的物体。该光被接收模块接收，所述接收模块包括光检测传感器和混合滤光器。混合滤光器包括多带窄带滤光器和图案化滤光层。图案化滤光层包括使从窄带滤光器接收到的光的一部分透过的滤光材料区域和使从窄带滤光器接收到的所有光透过的无滤光区域。因为滤光材料区域吸收一部分穿过滤光材料的光，所以将增益系数应用到穿过滤光材料区域的光上。该增益系数用来平衡一个或多个图像中的场景信号，并最大化一个或多个图像中的特征信号。


当结合附图阅读时，通过参照下面对本发明实施例的详细描述，将可以更好地理解本发明，其中附图图1示出了太阳光辐射、发光二极管和激光的谱图；图2描绘了具有吸收峰和向较短波长一侧延伸的拖尾的滤光谱图；图3是在根据本发明的实施例中使用混合滤光器的用于瞳孔检测的第一系统的示图；图4是可用在图3的系统中的设备示图；图5是在根据本发明的实施例中用于瞳孔检测的第二系统的示图；图6是在根据本发明的实施例中用于瞳孔检测的第三系统的示图；图7A示出了根据图3、图5和图6的实施例使用同轴光源在第一帧中生成的图像；图7B描绘了根据图3、图5和图6的实施例使用离轴光源在第二帧中生成的图像；图7C示出了从图7A中第一帧的图像扣除图7B中第二帧的图像而得到的差值图像；图8是根据本发明实施例的传感器和图案化滤光层的俯视图；图9是在根据本发明实施例中探测器的横截面视图；
图10描绘了图9中所示图案化滤光层和窄带滤光器的波谱；图11示出了在根据本发明的实施例中用于检测透过物体的感兴趣的波长的系统视图；图12示出了根据本发明实施例用在制备双带窄带滤光器方法中的Fabry-Perot共振器；图13描绘了图12的Fabry-Perot共振器的谱图；图14描绘了在根据本发明实施例中用于制备双带窄带滤光器的第一方法中的耦合空腔共振器；图15描绘了图14的耦合空腔共振器的谱图；图16示出了在根据本发明的实施例中形成双带窄带滤光器的三个耦合空腔共振器的叠层；图17描绘了图16的双带窄带滤光器的谱图；图18示出了在根据本发明的实施例中制备双带窄带滤光器的第二方法；图19描绘了图18的双带窄带滤光器的谱图；图20是对由图9的探测器所捕获的图像进行图像处理的方法的流程图；图21描绘了在根据本发明实施例中第一图像中像素灰度级水平的频率分布图和第二图像中像素灰度级水平的频率分布图；图22示出了在根据本发明的实施例中图案化滤光层和三带窄带滤光器的谱图；图23描绘了在根据图22中所示实施例中的传感器。
具体实施例方式
下面的描述被提供以使本领域的技术人员能够实施并利用本发明，并且按照专利申请文件的要求的形式给出。对于本领域技术人员，显然较容易对所公开的实施例进行各种修改，并且这里的一般理论可以适用于其他实施例。这样，本发明并非意在受限于所示实施例，而是要给予与所附权利要求以及这里描述的理论和特征相一致的最宽范围。应该理解，本说明书中所提及的图并没有按比例绘制。
根据本发明的实施例涉及利用混合滤光器的波长依赖成像和检测的方法及系统。瞳孔检测技术作为利用根据本发明的混合滤光器的示例性系统而被包括在该详细的说明中。但是，根据本发明的混合滤光器可以用在希望波长依赖性地检测和/或对物体或场景成像的各种应用中。例如，根据本发明的混合滤光器可用来检测沿着地震断层的运动，检测人或主体的存在、注意力或位置，并检测或突出制造主体中的湿气。此外，根据本发明的混合滤光器可用在医疗和生物仪器应用中，例如检测组织中的液体或氧的系统和利用人的眼睛或面部特征鉴别个体身份的系统。在这些生物仪器鉴别系统中，瞳孔检测可用来准确地瞄准成像仪，从而用最少的用户训练即可获取所需数据。
现参照图，特别是参照图3，其示出了在根据本发明的实施例中使用混合滤光器的用于瞳孔检测的第一系统的示图。该系统包括探测器300和光源302、304。所示光源302、304在图3的实施例中位于探测器300的两侧。在根据本发明的另一实施例中，光源302、304可以位于探测器300的同侧。并且在根据本发明的又一实施例中，一组光源302、304可以被设置在探测器300的两侧。光源302、304也可以被替换为发射两个或多个不同波长的光的单个宽带光源，例如太阳。
在瞳孔检测的实施例中，利用探测器300对主体306的面部和/或眼睛摄取了两个图像。其中一个图像是使用光源302摄取的，光源302靠近或者正好在探测器300的轴308上(“同轴光源”)。第二个图像是使用光源304摄取的，光源304位于相对探测器300的轴308更大角度处(“离轴光源”)。当主体306的眼睛睁开时，这两个图像之间的差异突出了眼睛的瞳孔。这是因为视网膜的镜面反射仅在同轴像中被检测到。其他面部和环境特征的漫反射大部分都被消除了，从而瞳孔成为差分图像中的主要特征。这可用来推测当在差分图像中检测不到瞳孔时，主体306的眼睛是闭上的。
在根据本发明的这个实施例中，可用相对阈值来监测主体306的眼睛睁开或闭上的时间量。万一不满足该阈值(例如，眼睛睁开的时间百分比小于该阈值)，则可以发出警报或采取某些其他动作来警告主体306。在根据本发明的其他实施例中，眨眼的频率或持续时间可以作为标准。
主体306的视网膜的差分反射率取决于光源302与探测器300的轴308之间的夹角310以及光源304与轴308之间的夹角312。一般，更小的夹角310将增加视网膜回射。这里所用的“视网膜回射”指从主体306的眼睛后部所反射出并被探测器300检测的强度(亮度)。“视网膜回射”也被用来包括来自眼睛后部(除了视网膜之外)其他组织的反射。因此，夹角310被选择来使得光源302与轴308同轴或离轴。在根据本发明的这个实施例中，夹角310通常在约0-2度的范围内。
一般，夹角312的大小被选择来使得仅有很少的来自光源304的视网膜回射被探测器300检测到。虹膜(在瞳孔周围)阻挡了这个信号，所以当选择夹角312的大小时，应该考虑在不同照明条件下瞳孔的大小。在根据本发明的这个实施例中，夹角312通常在约3-15度的范围内。在根据本发明的其他实施例中，夹角310和312的大小可能不同。例如，特定主体的特性可能决定了夹角310和312的大小。
在根据本发明的这个实施例中，光源302和304发射不同波长的光，这些波长产生大致相等的图像强度(亮度)。即使光源302和304可以是任意波长的，但在这个实施例中所选定的波长被选择来使得光将不会干扰主体，并且眼睛的虹膜将不会由于光而收缩。所选定的波长通常在允许探测器300响应的范围中。在根据本发明的这个实施例中，光源302和304被实现为发光二极管(LED)或具有红外或近红外波长的多模激光。光源302和304中每个都可被实现为一个或多个光源。
控制器316接收探测器300捕获的图像，并处理该图像。在图3的实施例中，控制器316确定增益系数，并将其应用到使用离轴光源304所捕获的图像。以下结合图19和图20，更详细地描述处理图像的方法。
图4是可用在图3的系统中的设备示图。设备400包括探测器300、同轴光源302和离轴光源304。在图4中，多个光源302被布置成在探测器300周围的环形图案，并与探测器300放置在同一壳体中。在根据本发明的另一实施例中，光源304可以位于与光源302和探测器300相隔开的壳体中。在根据本发明的又一实施例中，通过在探测器300和物体之间放置分束器，光源302可以位于与探测器300相隔开的壳体中，这样设置的优点在于允许更小的有效同轴照明角度。
现参照图5，这是在根据本发明的实施例中瞳孔检测的第二系统。该系统包括图3的探测器300、同轴光源302、离轴光源304和控制器316。该系统还包括分束器500。在这个实施例中，探测器300被设置在邻近光源304处。在根据本发明的其他实施例中，探测器300和光源302的位置可以互换，使光源302邻近光源304。
同轴光源302向分束器500发射一束光。分束器500将该同轴光分成两个片段(segment)，其中一个片段502导向主体306。当分束器500被设置在探测器300和主体306之间时，允许更小且依旧有效的同轴照明角度。
离轴光源304也向主体306发射光束504。片段502和504的光由主体306反射到分束器500。片段502和504的光可以被主体306同时反射出，或被主体306交替地反射出，这取决于光源302和304何时发射光。分束器500将反射回的光分成两个片段，并将一个片段506导向探测器300。利用所反射的光，探测器300捕获主体306的两个图像，并将图像传送给控制器316用于处理。
图6是在根据本发明的实施例中瞳孔检测的第三系统。该系统包括两个探测器300a、300b，两个同轴光源302a、302b，两个离轴光源304a、304b和两个控制器316a、316b。利用以外极线(epipolar)立体配置的两个图3的系统，图6的系统生成了主体306眼睛的三维图像。在这个实施例中，探测器300a和300b每个中的可比象素行位于同一平面上。在根据本发明的其他实施例中，可比象素行并不处在同一平面上，并且生成修正值来补偿这种行配置。
每个控制器316a和316b进行独立的分析，以确定主体306的眼睛在二维中的位置。立体控制器600使用控制器316a和316b所生成的数据，来生成主体306的眼睛在三维上的位置。同轴光源302a、302b和离轴光源304a、304b可以被设置为任何所期望的配置。在根据本发明的某些实施例中，同轴光源(例如302b)可用作离轴光源(例如304a)，用于反相系统。
图7A示出了根据图3、图5和图6的实施例用同轴光源在第一帧中生成的图像。图像700表示睁开的眼睛。由于同轴光源302产生强烈的视网膜回射，眼睛具有明亮的瞳孔。如果眼睛已经闭上或近乎闭上，则明亮的瞳孔不会被检测到并被成像。
图7B描绘了根据图3、图5和图6的实施例用离轴光源在第二帧中生成的图像。在图7B中的图像702可以是与图7A中的图像同时摄取的，或者它可以被摄取在与图像700交替的帧中(连续地或非连续地)。图像702示出了正常的黑色瞳孔。如果眼睛已经闭上或近乎闭上，则正常的瞳孔不会被检测到并被成像。
图7C示出了从图7A中第一帧的图像扣除图7B中第二帧的图像而得到的差值图像704。通过取得图像700和702之间的差值，当眼睛睁开时，相对的亮点706保留在相对暗的背景708上。在背景708中可能保留有眼睛其他特征的痕迹。但是，一般，相对于背景708，亮点706将很突出。当眼睛闭上或几乎闭上时，在差值图像704中不会存在亮点706。
图7A-7C示出了主体306的一只眼睛。本领域的技术人员将认识到，也可以对两只眼睛进行监测。还要理解到，如果图像包括主体306的其他特征(例如其他面部特征)以及主体306的环境特征，那么仍将实现相似效果。这些特征将大部分都以类似于刚刚描述的方式被消除，从而在眼睛睁开时留下亮点706(或者两个亮点，每个亮点对应一只眼睛)或者当眼睛闭上或近乎闭上时没有亮点。
现在参照图8，其示出了根据本发明实施例的传感器和图案化滤光层(patterned filter layer)的俯视图。在该实施例中，传感器800被结合在探测器300(图3)内，并且被配置成互补金属氧化物半导体(CMOS)成像传感器。但是，传感器800可以利用在根据本发明其他实施例中的其他类型成像设备来实现，例如电荷耦合器件(CCD)成像仪。
利用滤光材料来交替覆盖传感器800中的像素，图案化滤光层802被形成在传感器800上。该滤光层是根据光源302、304所用到的波长而确定的。例如，在根据本发明的这个实施例中，图案化滤光器层802包括含有用于拦截光源302所用波长的光和透过光源304所用波长的光的滤光材料(被标识为1)。其他区域(被标识为2)保持未被覆盖，并接收来自光源302、304的光。
在图8的实施例中，在仍为晶片(wafer)形式的同时，利用常规沉积和光刻工艺，图案化滤光层802被沉积为例如在底层上传感器800单独的层。在根据本发明的另一实施例中，图案化滤光层802可以形成为在传感器800和入射光之间的单个元件。此外，滤光材料的图案可以被配置成除了方格图案之外的图案。例如，图案化滤光层可以形成为交错条纹的或非对称的结构(例如3个像素×2个像素的形状)。该图案化滤光层还可以结合有其他功能，例如颜色成像仪。
图案化滤光层802中可以使用各种类型的滤光材料。在根据本发明的这个实施例中，滤光材料包括掺有颜料或染料的聚合物。在根据本发明的其他实施例中，滤光材料可以包括由半导体、其他无机材料或有机材料制得的干涉滤光器、反射滤光器和吸收滤光器。
图9是在根据本发明实施例中探测器的横截面视图。在该图中仅示出了探测器的一部分。探测器300包括由像素900、902、904、906组成的传感器800、含有交替的滤光材料区域910和交替的空白(即没有滤光材料)区域912的图案化滤光层908、玻璃覆层914和双带窄带滤光器916。在根据本发明的这个实施例中，传感器800被配置成CMOS成像仪，图案化滤光层908被配置成掺有颜料或染料的聚合物。图案化滤光层908中的每个滤光区域910(例如方格图案中的方形)覆在CMOS成像仪的单个像素上。
在根据本发明的这个实施例中，窄带滤光器916是电介质叠层滤光器。电介质叠层滤光器被设计为具有特定的光谱性能。在根据本发明的这个实施例中，电介质叠层滤光器形成为双带滤光器。窄带滤光器916(即电介质叠层滤光器)被设计为在λ1处具有一个峰，在λ2处具有另一个峰。在根据本发明的这个实施例中，较短的波长λ1与同轴光源302相关，较长的波长λ2与离轴光源304相关。但是，在根据本发明的其他实施例中，较短的波长λ1与离轴光源304相关，较长的波长λ2与同轴光源302相关。
当光照到窄带滤光器916上时，除了光源302的波长(λ1)和光源304的波长(λ2)，其他波长的光被滤出或被拦截，以免穿过窄带滤光器916。这样，在这个实施例中，波长为λVIS的可见光和波长为λn的光被滤出，而波长为λ1和λ2、或者接近λ1和λ2的光传播通过窄带滤光器916。这样，仅有波长为λ1和λ2、或者接近λ1和λ2的光穿过了玻璃覆层914。随后，滤光区域910使波长为λ2的光透过，而拦截波长为λ1的光。结果，像素902和906仅接收到波长为λ2的光。
无滤光区域912透过波长为λ1和λ2的光。一般地，到达未经覆盖的像素900、904的光将比到达被滤光区域910覆盖的像素902、906的光更多。控制器316中的图像处理软件可被用来分离在第二帧中生成的图像(对应于被覆盖像素902、906)和在第一帧中生成的图像(对应于未被覆盖的像素900、904)。例如，控制器316可以包括具有流水线处理的专用集成电路(ASIC)以确定差值图像。位于马萨诸塞州Natick的MathWorks公司的产品MATLAB可被用来设计ASIC。
在根据本发明的这个实施例中，窄带滤光器916和图案化滤光层908形成混合滤光器。图10描绘了图9中所示图案化滤光层和窄带滤光器的波谱。如前所讨论的，窄带滤光器916将除了波长为λ1(谱峰916a)和λ2(谱峰916b)、或者接近λ1和λ2的光之外所有的光都滤出。图案化滤光层908拦截波长为λ1(波谱910的最小值)或者接近λ1的光，而使波长为λ2或者接近λ2的光透过。在根据本发明的这个实施例中，因为波长为λ2或者接近λ2的光穿过滤光区域910，所以在计算差值图像之前将增益系数应用到第二帧上。该增益系数补偿被滤光区域910所吸收的光以及传感器在这两种波长之间灵敏度的差异。将结合图20和21对增益系数的确定操作进行更详细的描述。
本领域的技术人员将认识到，图案化滤光层908提供了以像素空间分辨率选择信道的机制。在根据本发明的这个实施例中，信道1与同轴图像相关，信道2与离轴图像相关。在根据本发明的其他实施例中，信道1可以与离轴图像相关，信道2可以与同轴图像相关。
在根据本发明的这个实施例中，传感器800置于支持物(未示出)上。玻璃覆层914通常防止传感器800被损坏和颗粒污染(例如灰尘)。在根据本发明的另一实施例中，混合滤光器包括图案化滤光层908、玻璃覆层914和窄带滤光器916。在这个实施例中，玻璃覆层914形成为彩色玻璃滤光器，并作为电介质叠层滤光器(即窄带滤光器916)的衬底。彩色玻璃滤光器被设计为具有某些波谱性能，并掺有颜料或染料。位于德国Mainz的Schott Optical Glass公司是一家生产可用在彩色玻璃滤光器中的彩色玻璃的公司。
现在参照图11，其示出了在根据本发明的实施例中用于检测透过物体的感兴趣的波长的系统视图。相同的标号用来表示那些具有结合前面视图描述的功能的元件。探测器300包括感应器800、图案化滤光层908、玻璃覆层914和窄带滤光器916。
宽带光源1100将光传播到透明物体1102。宽带光源1100发射多种波长的光，其中的两种或多种波长是被探测器300检测的感兴趣波长。在根据本发明的其他实施例中，宽带光源1100可以被替换为传播两种不同波长的光的两个光源。
透镜1104捕获穿过透明物体1102的光，并将其聚焦到窄带滤光器916的顶面上。对于使用两个感兴趣的波长的系统，探测器300使用以一个感兴趣波长透过的光捕获一个图像和使用以另一个感兴趣波长透过的光捕获第二个图像。接着，利用图像处理方法来处理这些图像，结合图20和21将更详细地描述该图像处理方法。
如前所讨论的，窄带滤光器916是被形成为双带滤光器的电介质叠层滤光器。电介质叠层滤光器可以包括任意滤光器类型的组合。最终电介质叠层滤光器所期望的波谱性能决定了哪种类型的滤光器被包括在叠层中。
例如，通过将3个耦合的空腔共振器彼此叠加，可制备双带滤光器，其中每个耦合的空腔共振器由两个法布里-珀罗(Fabry-Perot)共振器形成。图12示出了根据本发明实施例的用在制备双带窄带滤光器方法中的Fabry-Perot(FP)共振器。共振器1200包括分布布拉格反射体(DBR)上层1202和DBR下层1204。形成DBR层的材料包括N对四等分波长(mλ/4)厚的低折射率材料和四等分波长(nλ/4)厚的高折射率材料，其中变量N是整数，变量m和n是奇数。波长被定义为层内光的波长，其等于自由空间的波长除以层的折射系数。
空腔1206将两个DBR层1202和1204隔开。空腔1206被配置成半波长(pλ/2)厚的空腔，其中p是整数。空腔1206的厚度和DBR层1202、1204中的材料决定了FP共振器1200的透过峰。图13描绘了图12的Fabry-Perot共振器的谱图。FP共振器1200具有单个透过峰1300。
在这种制备双带窄带滤光器的第一方法中，两个FP共振器1200被堆叠在一起来形成耦合空腔共振器。图14描绘了在根据本发明实施例中用于制备双带窄带滤光器的方法中的耦合空腔共振器。耦合空腔共振器1400包括DBR上层1402、空腔1404、强耦合DBR 1406、空腔1408和DBR下层1410。当顶部FP共振器的DBR下层(即层1204)与底部FP共振器的DBR上层(即层1202)结合时，形成强耦合DBR 1406。
将两个FP共振器叠加在一起使得图13中的单个透过峰1300分裂成两个峰，如图15中所示。强耦合DBR 1406中1/4波长厚的折射材料的对数决定了空腔1404和1408之间的耦合强度。空腔1404和1408之间的耦合强度决定了峰1500和峰1502之间的间距。
图16示出了在根据本发明的实施例中形成双带窄带滤光器的三个耦合空腔共振器的叠层。双带窄带滤光器1600包括DBR上层1602、空腔1604、强耦合DBR 1606、空腔1608、弱耦合DBR 1610、空腔1612、强耦合DBR 1614、空腔1616、弱耦合DBR 1618、空腔1620、强耦合DBR1622、空腔1624和DBR下层1626。
将三个耦合空腔共振器叠加在一起使得每个峰1500和1502都分别被分裂成三重峰1700和1702。图17描绘了图16的双带窄带滤光器的谱图。耦合DBR 1610和1618中反射器对数的增加降低了弱耦合DBR 1610和1618中的耦合强度。这种降低后的耦合强度使得每个三重峰1700和1702结合成单个宽且相对平坦的透过带。改变弱耦合DBR 1610和1618中1/4波长厚的折射材料的对数，从而改变三重峰1700和1702内的间距。
现在参照图18，其示出了在根据本发明的实施例中制备双带窄带滤光器的第二方法。在这个实施例中，双带窄带滤光器是通过组合两个滤光器1800和1802而制得的。带阻滤光器1800将波长在波长λ1和λ2周围区域间的光滤出，而带通滤光器1802使接近波长λ1和λ2以及在波长λ1和λ2之间的光透过。滤光器1800和1802的组合使得在狭窄区域中的光透过，而拦截了所有其他波长的光。图19描绘了图18的双带窄带滤光器的谱图。如所见的，仅有波长为感兴趣波长λ1(峰1900)和λ2(峰1902)的光或者接近波长λ1和λ2的光透过。
图20是对由图9的探测器300所捕获的图像进行图像处理的方法的流程图。首先确定增益系数，并将其应用到由探测器捕获的某些图像上。这个步骤表示在方框2000中。例如，在图9的实施例中，以波长λ2传播的光穿过图案化滤光层908中的滤光区域910。因此，该增益系数被应用到在波长λ2处所捕获的图像上，以补偿被滤光区域910所吸收的光以及传感器对这两个波长的灵敏度之间的差异。
接下来，在方框2002生成一个或多个差值图像。所生成的差值图像的数量取决于应用。例如，在图7的实施例中，通过从第一帧中的图像(图7A)中扣除第二帧中的图像(图7B)，生成一个差值图像。在根据本发明的另一实施例中，检测K个波长的系统例如可以产生K！/2个差值图像。
接下来，在方框2004，将卷积(convolution)和局部阈值处理应用到图像上。将每个像素的像素值与预定值进行比较。该预定值的赋值取决于应用。基于像素值与预定值相关的级别，为每个像素被分配颜色。例如，当其像素值超过预定值时，该像素被分配白色。其像素值低于预定值的像素被分配黑色。
然后，对每个差值图像进行图像解译，以确定瞳孔位于该差值图像中何处。例如，在根据本发明的一个实施例中，进行偏心和尺寸分析算法。偏心算法分析所得的黑白像素组以确定每个组的形状。尺寸算法分析所得的组以确定每个组内的像素数。当形成瞳孔的组内存在太少或太多的像素时，该组被确定为不是瞳孔。当组的形状与瞳孔的形状不对应时，该组也被确定为不是瞳孔。例如，矩形组不会是瞳孔。在根据本发明的其他实施例中，可以只进行一种算法。例如，对这一个或多个差值图像可以仅进行偏心算法。而且，在根据本发明的其他实施例中，可以对图像进行附加的或不同的图像解译功能。
用来计算增益系数的变量、方程和假设取决于应用。图21描绘了在根据本发明实施例的差值图像中像素灰度级的频率分布图(histogram)。在根据本发明的一个实施例中，首先通过生成差值图像中像素灰度级水平的频率分布图来计算增益系数。在这个实施例中，当用同轴光源照射时与当用离轴光源照射时的眼睛瞳孔的对比度较高。一种获得高对比度差值图像的技术是选择两个波长带，这两个波长带在它们之间以较高对比度呈现出感兴趣的特征，并且在这两个波长带之间以较低对比度描绘背景场景。为了在差分波长成像仪中获得较好的对比度，希望在这两个波长带中特征信号水平之间的差异较大，而在这两个波长带中背景场景信号水平之间的差异较小。这两个条件可以描述为(1)最大化|帧1中的特征信号-帧2中的特征信号|(2)使帧1中的场景信号与帧2中的场景信号平衡从以上表达关系可以将基于像素的对比度定义为 在这种情况下，最大化Cp即可使对比度达到最大。对于代表背景场景的像素，相对背景场景中像素灰度级水平的平均差异用以下方程计算 其中标记i累计背景像素，r是背景场景中的像素数。对于代表感兴趣特征(例如，瞳孔或多个瞳孔)的像素，感兴趣特征的平均灰度级水平差异用以下方程计算 其中标记i累计能表示感兴趣的一个特征或多个特征的像素，s是代表感兴趣的一个特征或多个特征的像素数。图21中的每个频率分布图具有平均灰度级值M和标准偏差σ。
在这个实施例中，通过设计，相对于(σA+σB)来说，|MB-MA|较大。在光谱差分成像中，恰当地选择这两个波长带可得到较高的对比度，以使|MB|较大，并且通过平衡这两帧中的背景信号，恰当地选择增益系数将使得|MA|较小。在眼睛检测中这两个信道之间的视网膜反射的角灵敏度将使得|MB|较大，并且通过平衡这两帧中的背景信号，恰当选择增益系数将使得|MA|较小。标准偏差取决于许多因素，包括原图像、信号灰度级、这两个信道之间照明的均匀性、用于信道2(例如离轴图像)的增益和用来表示反相帧的像素的插值算法类型。
在这个实施例中，假设大多数背景场景包含范围较宽的灰度级。因此，标准偏差σA往往较大，除非已应用了合适的增益。一般而言，差值信号MA的值越大，将导致标准偏差σA的值越大，或者σA＝αMA其中α近似为常数，并采用表示正标准偏差σA所需的符号。在根据本发明的其他实施例中，可以采用其他假设。例如，更复杂的常数可用来代替常数α。
现在基于平均值的对比度可以定义为CM≡|MB-MA|(σB+σA)]]>在这个实施例中还假设σA＞σB，所以CM近似为CM≈|MB-MA|σA=|MBαMA-1α|=1|α||MBMA-1|]]>为最大化CM，通过对信道进行赋值使得MB＞＞0，而MA达到最小，从而使方程中 部分达到最大。于是，CM方程变成 以上参数定义为帧1中的特征信号＝∫(L1+A)P1T1，1S1dλ+∫(L2+A)P2T1，2S2dλ
帧2中的特征信号＝G[∫(L2+A)P2T2，2S2dλ+∫(L1+A)P1T2，1S1dλ]帧1中的场景信号＝[∫(L1+A)Xx，y，1T1,1S1dλ+∫(L2+A)Xx，y，2T1，2S2dλ]帧2中的场景信号＝G[∫(L2+A)Xx，y，2T2，2S2dλ+∫(L1+A)Xx，y，1T2，1S1dλ]其中λ＝波长；Lm(λ)是物体处差分成像系统的光源m的单位波长单位面积的功率，其中m代表一个波长带。在波长带m的范围内积分，Lm＝∫Lm(λ)dλ；A(λ)是单位波长单位面积的环境光源功率。在波长带m的范围内积分，Am＝∫A(λ)dλ；Pm(λ)是对于波长带m，感兴趣的点(特征部分)在波长λ单位波长的的反射率(漫反射或镜面反射)。在波长带m的范围内积分，Pm＝∫Pm(λ)dλ；Xx，y，m(λ)是在以波长带m观测时，在成像仪上位置x，y处单位波长的背景场景反射率(漫反射或镜面反射)；Tm，n(λ)是以波长带n测得的、与波长带m相关联的像素的单位波长的滤光透过率。对于m＝n的情况，在波长范围内积分，Tm，m＝∫Tm，m(λ)dλ；S(λ)是成像仪在波长λ下的灵敏度；和G是应用到一个帧上的增益系数。
在这个实施例中，Tm,n(λ)包括串联的所有滤光器，例如双带窄带滤光器和图案化滤光层。对于帧1中的特征信号，如果已经准确地选择了波长带，则P1＞＞P2，并可忽略右侧的第二个积分。相对较小的P2使得帧2中特征信号方程中的第一个积分可以忽略。因此，通过组合分子中的被积函数，以上条件(1)变成最大化|∫(L1+A)P1(T1，1-GT2，1)S1dλ|为满足条件(1)，在根据本发明的这个实施例中，在眼睛安全/舒适的限度内最大化L1、P1和S1。一种方法使T1，1达到最大，并同时在信道2的波长带中应用更小的增益系数G和高度辨别的滤光器以使T2，1等于0或近似等于0。对于在近红外范围中的眼睛检测，当较短的波长信道是同轴信道时，由于在950nm附近玻璃体和其他组织中的吸水性，P1更高。当更较的波长信道是同轴信道时，由于在越短的波长下检测灵敏度越高，S1也更高。
注意，对于帧1中的场景信号，如果T1，2较小，则第二个积分应该较小。并且在帧2中的场景信号中，如果T2，1较小，则第二个积分应该较小。更一般而言，通过组合分母中的被积函数，以上条件(2)变成最小化|∫(L1+A)Xx，y，1(T1，1-GT2，1)S1dλ-∫(L2+A)Xx，y，2(GT2，2-T1，2)S2dλ|为满足条件(2)，在根据本发明的这个实施例中，使分母中两帧的场景信号的水平被平衡。因此，∫(L1+A)Xx，y，1(T1，1-GT2，1)S1dλ＝∫(L2+A)Xx，y，2(GT2，2-T1，2)S2dλ解得增益系数G为G=∫((L1+A)Xx,y,1T1,1S1+(L2+A)Xx,y,2T1,2S2)dλ∫((L2+A)Xx,y,2T2,2S2+(L1+A)Xx,y,1T2,1S1)dλ]]>在这个实施例中假设大多数情况下X≡Xx，y，1≈Xx，y，2，所以增益系数的方程简化为G≈∫((L1+A)T1,1S1+(L2+A)T1,2S2)dλ∫((L2+A)T2,2S2+(L1+A)T2,1S1)dλ]]>在根据本发明的某些实施例中并不存在任意方向上的滤光串扰。因此，T1，2，T2，1＝0，增益系数的方程为 当电介质叠层滤光器与其他滤光器串联使用时，由于两个波带的峰值水平相同，滤光透过函数可以作相同处理。这样，增益系数的方程变成 定义S≡S1(λ1)S2(λ2),]]>增益系数方程为 如果关闭光源，则L1，L2＝0，并且 其中GA无串扰是仅有环境光照的最佳增益系数。在这个实施例中，分析整个图像进行这种计算，以获得相关的对比度。在根据本发明的其他实施例中并不必分析整个图像。例如，在根据本发明的另一实施例中，可以仅选择感兴趣特征附近的一部分图像。
由于太阳辐射引起的环境光谱以及环境光在这两个信道中的比例都会随着时间和方向而变化，所以在这个实施例中周期性地重复确定增益系数的测量。通过求在光源关闭情况下这两个信道中的场景信号比，并应用以上同样的假设，计算出所测量的光水平的比 求解实际的环境光水平的比为 该方程变成 将该表达式代入GA无串扰的方程，得到GA无串扰＝RA无串扰。
这样，环境光照的增益系数可以被选择为如由电介质叠层滤光器所选定的两个信道中的实际的环境光水平的比(A1/A2)。
当相对于环境光照而驱动光源时，则如以下方程式所定义的L1(λ1)L2(λ2)=A1A2]]>环境照明和人工有意照明的无串扰情况下的增益系数表达式将相等，即G无串扰＝GA无串扰，甚至在黑暗环境条件下，系统光源显得更为重要的情况下仍成立。这样，当光源在这两个信道之间的水平的比与实际的环境光水平的比相匹配的情况下被驱动时，增益系数在环境光强的较宽范围内均为常数。
在仅有一个滤光器中存在串扰的那些实施例中，增益系数的表达式可以写为G=∫((L1+A)Xx,y,1T1,1S1+(L2+A)Xx,y,2T1,2S2)dλ∫(L2+A)Xx,y,2T2,2S2dλ]]>其中T2，1＝0，从而阻止了波长带1对与波长带2相关联的像素的串扰。假设Xx，y，1≈Xx，y，2，该表达式也可以写为
G≈∫(L1+A)T1,1S1dλ∫(L2+A)T2,2S2dλ+∫(L2+A)T1,2S2dλ∫(L2+A)T2,2S2dλ]]>在这个实施例中，对滤光透过函数进行类似于δ函数(峰透过水平×合适波长)的处理，所以增益系数方程变成G≈(L1(λ1)+A1)T1,1(λ1)S1(λ1)(L2(λ2)+A2)T2,2(λ2)S2(λ2)+(L2(λ2)+A2)T1,2(λ2)S2(λ2)(L2(λ2)+A2)T2,2(λ2)S2(λ2)]]>定义S≡S1(λ1)S2(λ2),]]>该方程简化为G≈(L1(λ1)+A1L2(λ2)+A2)ST1,1(λ1)T2,2(λ2)+T1,2(λ2)T2,2(λ2)]]>通过求在光源关闭情况下这两个信道中的场景信号比，并应用以上同样的假设，计算出实际光水平的比。因此，测量信号水平的比是 求解 该方程变成A1A2=(RA-T1,2T2,2)T2,2S2T1,1S1]]>并且又有GA＝RA。这样，在存在串扰的实施例中，环境增益系数被设定为所测量的环境光水平的比。类似于以上没有串扰的实施例，该照度级被设定为与实际的环境光水平的比成比例。然后该系统以恒定的增益系数在较宽范围的照明条件下运行。
实际上，对于某些应用，特征信号填满如此少的像素，以致对整个子帧的统计可被用来确定增益系数。例如，使用具有25度全角度视野的VGA成像仪，在距离60cm处进行瞳孔检测，增益系数可以被设定为信道1的平均灰度级值除以信道2的平均灰度级值的比。而且，本领域的技术人员将认识到，当确定增益系数时，除了以上计算中所作的假设，可以进行其他假设。这些假设取决于使用的系统和具体应用。
虽然已参照检测两个波长λ1和λ2的光描述了混合滤光器和增益系数的计算，但在根据本发明的其他实施例中的混合滤光器可用来检测多于两个的感兴趣的波长。图22示出了在根据本发明的实施例中图案化滤光层和三带窄带滤光器的谱图。在这个实施例中，混合滤光器检测三个感兴趣的波长λ1、λ2和λ3的光。在波长λ1、λ2和λ3处的光谱2200、2202和2204分别代表成像系统要检测的三个信号。通常，一个波长被选定作为基准，在这个实施例中，波长λ2作为基准。
在根据本发明的这个实施例中，三带窄带滤光器使感兴趣的波长(λ1、λ2和λ3)的光或者接近这些感兴趣的波长的光透过，而阻止其他所有波长的光透过。然后，图案化滤光层中的光阻滤光器(photoresistfilter)在接收到的波长为λ1、λ2和λ3的光之间进行分辨。图23描绘了在根据图22中所示实施例中的传感器。使用三种不同的滤光器，图案化滤光层形成在传感器2300上。每个滤光区域仅透过一种波长。例如，在根据本发明的一个实施例中，传感器2300可以包括彩色三带滤光图案。区域1使λ1的光透过，区域2使λ2的光透过，区域3使λ3的光透过。
确定图23的传感器的增益系数，首先(1)最大化|帧1中的特征信号-帧2中的特征信号|(2)最大化|帧3中的特征信号-帧2中的特征信号|并且(3)使帧1中的场景信号与帧2中的场景信号平衡(4)使帧3中的场景信号与帧2中的场景信号平衡这些变成最大化＝|∫(L1+A)P1T1，1S1dλ-G1，2∫(L2+A)P2T2，2S2dλ|最大化＝|∫(L3+A)P3T3，3S3dλ-G3，2∫(L2+A)P2T2，2S2dλ|和∫(L1+A)Xx，y，1T1，1S1dλ＝G1，2∫(L2+A)Xx，y，2T2，2S2dλ∫(L3+A)Xx，y，3T3，3S3dλ＝G3，2∫(L2+A)Xx，y，2T2，2S2dλ其中G1，2是应用到基准信道2(λ2)以与信道1(例如λ1)相匹配的增益系数，G3，2是应用到基准信道2(λ2)以与信道3(例如λ3)相匹配的增益系数。根据两个波长的实施例的计算(见图21及其描述)，增益系数被确定为G1,2≈A1T1,1(λ1)S1(λ1)A2T2,2(λ2)S2(λ2)]]>其中G1，2＝R1，2，为场景信号比。并且
G3,2≈A3T3,3(λ3)S3(λ3)A2T2,2(λ2)S2(λ2)]]>其中G3，2＝R3，2，为场景信号比。
类似图8的双信道实施例，图23中三个信道的其中之一(例如信道2)可以不被像素滤光器覆盖。增益系数可以类似于参照图21所述的实施例来计算。
权利要求
1.一种接收模块，包括图案化滤光层，包括使在所述图案化滤光层接收到的光的一部分透过的滤光材料区域和使在所述图案化滤光层接收到的所有光透过的无滤光区域；和光检测传感器。
2.如权利要求1所述的接收模块，其中所述光检测传感器包括光检测成像传感器。
3.如权利要求1所述的接收模块，还包括位于所述图案化滤光层和所述光检测传感器之间的窄带滤光层，其中所述窄带滤光层包括电介质叠层滤光器。
4.如权利要求3所述的接收模块，其中所述电介质叠层滤光器包括彩色玻璃滤光器。
5.如权利要求3所述的接收模块，其中所述电介质叠层滤光器包括N个堆叠在一起的耦合空腔共振器，其中N为整数。
6.如权利要求1所述的接收模块，其中所述图案化滤光层由图案化的掺杂染料的聚合物、图案化的掺杂颜料的聚合物、图案化干涉滤光器、图案化反射滤光器和图案化吸收滤光器中的一个组成。
7.一种成像系统，包括第一接收模块，其包括第一光检测传感器和第一混合滤光器；和连接到所述接收模块的第一控制器。
8.如权利要求7所述的成像系统，还包括第二接收模块，其包括第二混合滤光器和第二光检测传感器；连接到所述第二接收模块的第二控制器；和连接到所述第一和第二控制器的立体控制器。
9.如权利要求7所述的成像系统，还包括向物体发射光的光源。
10.如权利要求9所述的成像系统，其中所述光源包括单个的宽带光源，所述单个的宽带光源发射感兴趣的两个或多个波长的光。
11.如权利要求9所述的成像系统，其中所述光源包括多个光源，每个光源都发射被包括在感兴趣的两个或多个波长中的一个或多个波长的光。
12.如权利要求7所述的成像系统，其中所述第一混合滤光器接收从所述物体反射出的光。
13.如权利要求7所述的成像系统，其中所述第一混合滤光器接收透过所述物体的光。
14.如权利要求8所述的成像系统，其中所述第一控制器和第二控制器每个都利用位于或接近感兴趣的两个或多个波长中的每一个波长处所检测到的图像来确定至少一个差值图像。
15.如权利要求8所述的成像系统，其中所述第一控制器和第二控制器每个都分别利用两个或多个频率分布图来确定至少一个增益系数，所述频率分布图由包括在所述第一光检测传感器和所述第二光检测传感器所检测到的图像中的像素值组成。
16.一种用于波长依赖检测的方法，包括从物体处接收光，其中所述光包括以感兴趣的两个或多个波长传播的光；在波长为所述感兴趣的两个或多个波长或接近所述感兴趣的两个或多个波长处所接收的光之间进行分辨，并同时拦截所有在其他波长处所接收的光；检测波长为所述感兴趣的两个或多个波长或接近所述感兴趣的两个或多个波长的所接收的光的量，来对所述感兴趣的两个或多个波长的其中每一个波长生成图像；以及将至少一个增益系数应用到与所述感兴趣的波长的一部分相关联的图像上。
17.如权利要求16所述的方法，其中从所述物体处接收光包括接收从所述物体反射出的光。
18.如权利要求16所述的方法，其中从所述物体处接收光包括接收透过所述物体的光。
19.如权利要求16所述的方法，还包括选择感兴趣的两个或多个波长以获得高对比度的差值图像。
20.如权利要求16所述的方法，其中将至少一个增益系数应用到与所述感兴趣的波长的一部分相关联的图像上的操作包括确定由包括在与各个感兴趣的波长相关联的每个图像中的像素值组成的频率分布图；计算每个频率分布图中的平均像素值；以及计算至少一个增益系数，其中所述至少一个增益系数与至少一个平均值相乘，以使所有平均值都相等。
21.如权利要求16所述的方法，其中所述至少一个增益系数是利用第一条件(1)和第二条件(2)确定的，所述第一条件(1)是使帧N中的场景信号与帧M中的场景信号相平衡，所述第二条件(2)是使|帧N中的特征信号-帧M中的特征信号|最大化，其中N和M是整数。
全文摘要
本发明公开了一种利用混合滤光器进行波长依赖成像和检测的方法及系统。通过发射不同波长的光的单个宽带光源或多个光源来照明待成像或检测的物体。该光被探测器检测，该探测器包括由混合滤光器覆盖的光检测传感器。
文档编号A61B3/10GK1704776SQ20051006907
公开日2005年12月7日 申请日期2005年5月10日 优先权日2004年5月10日
发明者朱利恩·E·富凯, 理查德·E·黑文, 斯科特·W·科尔扎因 申请人:安捷伦科技有限公司