专利名称：产生红外图像和正常图像的方法和成像设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及成像设备。更具体地说，本发明涉及数字成像设备，以及在数字成像设备中创建图像的方法。
背景技术：
摄影的普及在持续增加。当便宜的数字摄像机的供应提高时，特别对于数字摄影，普及也在持续增加。此外，结合在移动电话中的摄像机也使得摄影的普及增加。
数字成像和图像处理与常规的胶片摄影相比具有许多的优点。数字图像能被存档和用电子学方法处理并且图像的数字形式提供了几种可能性。
数字成像设备利用成像传感器，后者是光敏设备。数字传感器检测光和与检测到的光成比例地输出电流。传感器通常基于硅技术。成像传感器的一个问题就是它不仅对于可见光而且对于红外辐射敏感。红外辐射或红外光通常定义为具有长于780nm的波长的光。红外光在白昼情况下使得图像失真。如果红外光到达成像传感器，则彩色图像中的色平衡或在黑白成像中浓淡区的平衡失真。因而，通过在成像传感器前设置红外遮光滤光器，在白昼条件下红外光被阻挡以防止到达成像传感器。
然而，有时在黑暗条件下，这时有非常少或者没有可见光，可能利用红外光拍摄图像。通过利用外部红外光源，即便成像对象没有察觉到成像过程也可能拍摄图像。在例如用做防盗报警器之类的观察摄像机中这会特别有优势。
因而，成像设备应该在白昼条件下阻挡红外光以防止到达传感器，而在黑暗条件下启用红外成像。在现有技术解决方案中，使用可移去动的红外遮光滤光器或漏光红外滤光器。在摄像机的目镜中红外滤光器可以是分离的部分。在黑暗条件下，可以机械地移去摄像机目镜或传感器前的红外遮光滤光器移去。可自动或者手工地实现这种移去。这种解决方案的缺陷是它造价相当高并且因为在这种解决方案中需要的移动部分，不能确保长期的耐用性。在一些红外滤光器解决方案中，一些红外光传送到传感器。例如，当在黑暗条件下使用外部红外光源时，红外滤光器被设计成让由所述光源发出的光的波长穿过却阻挡所有其它的波长。该解决方案是白昼和黑暗条件中的折衷因而产生的图像不是最佳的。
发明内容
本发明的目的是提供用于在白昼和黑暗条件下成像的改进的解决方案。根据本发明的实施例，提供包括图像信号传感装置的成像设备，所述图像信号传感装置包括镜头和包含像素的图像传感器，所述图像信号传感装置设置成产生图像，所述图像信号传感装置还包括在图像传感器前面的红外滤光器装置，使得传感器的一些像素曝光在所有波长下而传感器的一些像素阻挡红外波长。
根据本发明的另一实施例，提供在成像设备中创建图像文件的方法，所述方法包括提供包括具有红外滤光器装置的像素的图像传感器，使得传感器的一些像素曝光在所有波长下而传感器的一些像素阻挡红外波长；当拍摄红外图像时利用可曝光在所有波长下的传感器像素，而拍摄正常图像时利用阻挡红外波长的传感器像素。
本发明的方法和设备提供几个优点。与机械地可移去滤光器相比，提出的解决方案提供没有移动部分的健壮的解决方案。该解决方案效能价格非常合算，因为不需要特殊的部分并且可在正常设备制造阶段期间执行相关的处理。该解决方案还提供从正常成像到红外成像的非常快的转换，而且反之亦然。与漏光红外滤光器相比，所提出的解决方案提供提高的图像质量。
在下文中，参考优选实施例和附图将更详细地描述本发明，其中图1说明实施例的成像设备的示例；图2说明图像信号传感装置的示例；图3A到3F说明彩色矩阵滤光器和红外滤光器阵列的示例；图4说明成像设备的另一示例；图5A和5B是说明本发明的实施例的流程图。
具体实施例方式
图1说明可在本发明的一些实施例中利用的一般的数字图像设备。应该注意，本发明的实施例还可利用在不同于图1的设备的其它类型的数字摄像机中，所述实施例仅仅是一个可能的结构的示例。
图1的设备包括图像信号传感装置100。图像信号传感装置包括镜头组件和图像传感器。装置100的结构将在后面更详细地讨论。图像信号传感装置捕获图像并将已捕获的图像转化成电形式。由装置100产生的电信号通向将模拟信号转换到数字形式的A/D转换器102。已数字化的信号从转换器导入到信号处理器104。在信号处理器中处理图像数据以创建图像文件。图像信号传感装置100的输出信号含有需要比如白色平衡和彩色处理之类的后处理的原始图像数据。信号处理器还用于将曝光控制命令106给到图像信号传感装置100。
所述设备还可包括信号处理器可在其中存储已完成的图像的图像存储器108；用于数据和程序存储的工作存储器110；显示器112和通常包括键盘或供用户向设备提供输入的对应装置的用户接口114。
图2说明图像信号传感装置100的示例。在该示例中，图像信号传感装置包括镜头200、图像传感器202、光圈档片204、彩色滤光器装置206和红外滤光器208。
图2的图像信号传感装置因而能在图像传感器202上形成图像。图像传感器202通常(但不一定)是单个的固态传感器，例如本领域技术人员已知的CCD(电荷耦合器件)或CMOS(互补金属氧化物半导体)。图像传感器202将光转化成电流。在图像捕获设备中该电模拟信号由A/D转化器102转化成数字形式，如图1所示。传感器202包括给定数量的像素。在传感器中的像素的数量决定传感器的分辨率。每个像素响应于光而产生电信号。在成像设备的传感器中的像素的数量是设计参数。通常在低成本成像设备中，像素的数量可以是640×480(沿传感器的长和短边)。该分辨率的传感器一般称为VGA传感器。一般，在传感器中像素的数量越高，传感器能产生越详细的图像。
光圈档片204控制通过镜头传到传感器的光量。应该注意，光圈档片的结构与实施例不相关，即，光圈档片的孔径值可以是固定的，或者它可以基于测量自动调节或手工调节。
镜头200根据入射光将图像形成到传感器上。镜头的结构和特性与本发明的实施例不相关。
图像传感器202对光敏感并且当它被曝光时便产生电信号。然而，传感器不能区分彼此不同的颜色。因而，像这样的传感器仅仅产生黑白图像。提出了若干解决方案来使得数字成像设备能产生彩色图像。本领域技术人员熟知，在图像捕获阶段使用仅仅三个基本颜色能产生全色图像。一般使用由红、绿和篮(RGB)构成的三种适当的颜色。另外广泛使用由青、品红和黄(CMY)构成的组合。尽管使用三种颜色能合成所有的颜色，还可用其它的解决方案，比如将翠绿色用作第四颜色的RGBE。
在单镜头数字图像捕获设备中使用的一个解决方案是在图像传感器前设置彩色滤光器阵列，上述滤光器由例如RGB或CMY颜色的三色图案构成。这样的解决方案通常称为Bayer矩阵。当使用RGB Bayer矩阵滤光器时，通常用单色滤光器按以下这种方式覆盖每个像素在水平方向上，每隔一个像素用绿色滤光器覆盖像素，并且按照每隔一行的方式每隔一个像素用红色滤光器覆盖像素，并且按照每隔一行的方式每隔一个像素用蓝色滤光器覆盖像素。单色滤光器将波长对应于上述单色的波长的光传送到在滤光器下面的传感器像素。信号处理器按以下这种方式内插从传感器接收的图像信号所有像素接收所有三种颜色的色值。因而能产生彩色图像。
图3A说明RGB彩色矩阵滤光器的示例。图3A示出了8×8彩色滤光器阵列。滤光器在图像传感器上覆盖对应的8×8像素区域。红色滤光器由字母“R”表示，蓝色滤光器由字母“B”表示，以及绿色滤光器由字母“G”表示。在实施例中，图像传感器和彩色矩阵滤光器的像素被分成2×2像素的子阵列。每个子阵列包括红色滤光器、蓝色滤光器和两个绿色滤光器。图3A的阵列因而包括16个子阵列。例如，在第一行上，阵列具有子阵列300到306。成像设备的信号处理器通过内插每个子阵列的像素的信号来处理从传感器子阵列接收的信号，使得在子阵列中的所有像素接收所有三种颜色的色值。因而能产生彩色图像。
在实施例中，红外滤光器装置208设置在像素传感器阵列的前面，使得阵列的一些像素可曝光在所有波长下而传感器阵列的一些像素被与红外波长阻隔。图3B说明红外滤光器装置的示例。图3B示出了8×8像素红外滤光器阵列。因而滤光器阵列在图像传感器上覆盖对应的8×8像素区域。滤光器包括阻挡红外光的区域和使红外光通过的区域。非阻挡区域加了阴影。因而，在顶行，阵列包括阻挡红外光的区域308和310以及让红外光穿过的区域312和314。在该示例中，每个区域覆盖图像传感器的2×2的像素区域。
参考图3A的示例，红外滤光器装置和彩色矩阵滤光器都在图像传感器的前面并且被设置在彼此的上面。图3B的每个2×2区域覆盖图3A的2×2子阵列。因而，使得红外光穿过子阵列302和306，但是被子阵列300和304阻挡。
图3C说明其中滤光器阵列设置在彼此的上面的示例。每隔一个的彩色矩阵滤光器子阵列阻塞红外光。当拍摄正常图像时利用阻挡红外光的子阵列下面的像素。当拍摄红外图像时，利用不阻挡红外光的子阵列的像素。
当制造彩色矩阵滤光器时，可考虑红外滤光器阵列。图3D说明RGB彩色矩阵滤光器的如下示例每隔一个2×2子阵列用彩色滤光器装置覆盖以及每隔一个子阵列不包括彩色滤光器。当把红外滤光器装置设置在彩色矩阵滤光器上面时，当拍摄红外图像时，利用这些不阻挡红外光的子阵列。因而对于这些子阵列来说，不需要彩色矩阵滤光器。
在实施例中，图像传感器和彩色矩阵滤光器的像素被分成2×2像素子阵列，每个子阵列因而包括四个像素。在该实施例中，子阵列的三个像素阻挡红外波长因而用于彩色成像中，而子阵列的一个像素曝光在所有波长下因而用于红外成像中。图3E和3F说明该实施例。图3E说明彩色矩阵滤光器。在每个子阵列中省去了一个绿色滤光器。因而，每个子阵列包括红、蓝和绿滤波器。图3F说明红外滤光器装置。在每个子阵列中，红外滤光器装置包括三个像素大小的红外阻挡区域以及让红外光穿过的一个像素大小的区域。红外穿过区域设置在彩色矩阵滤光器上遗漏的绿色滤光器的上面。在实践中，第二个绿色滤光器由红外穿过滤光器取代。因而，每个子阵列的由红外遮光滤光器覆盖的三个像素用于正常彩色成像中，而曝光在红外光下的像素用于红外成像中。
子阵列的大小还可不同于2×2。例如在3×3子阵列的情况下，可使用包括各自具有三种颜色的三个像素的3×3彩色矩阵滤光器。在本发明的实施例中，对应的3×3红外滤光器装置包括红外阻挡区域和红外穿过区域。
在实施例中，成像设备配置成检测待成像的区域中的光量并且确定是拍摄红外图像还是正常图像。参考图1，信号处理器104配置成使用图像传感器100拍摄测试图像，并且分析测试图像和确定在图像传感器附近的光量。如果在测试图像中的光量小，则信号处理器确定需要红外图像。对应地，如果在测试图像中的光量大，则信号处理器确定正常图像会给出较好的结果。该方法在自动拍摄图像而无需任何人工干涉的观测摄像机中特别有优势。
在实施例中，成像设备包括闪光灯116或红外波长的光源。参考图1，信号处理器104控制闪光灯116的操作。如果信号处理器确定需要红外图像，它与图像传感器同步使用闪光灯以产生红外图像。这种工作方式在自动拍摄图像而无需对象知道成像过程的观测摄像机中特别有优势。
在实施例中，所述闪光灯类似于正常闪光灯或红外和正常闪光灯的组合。
图4说明可利用在本发明的一些实施例中的另一数字成像设备。该实施例适合用作例如观测摄像机。图4的设备包括含有镜头组件和图像传感器的图像信号传感装置100。上述设备还包括A/D转换器102和信号处理器104。在信号处理器中处理图像数据以创建图像文件。信号处理器向图像信号传感装置100提供曝光控制命令106。所述设备还包括图像存储器108、用于数据和程序存储的工作存储器110、显示器112、闪光灯116以及用户接口114，如结合图1所讨论的一样。
所述设备还包括运动检测装置402。运动检测装置配置成在设备的前面所需的区域检测运动。该装置监视所需的区域并且当检测到运动时，该装置将信号发送到信号处理器104。当运动检测装置检测到在设备前面的运动时，信号处理器配置成拍摄图像。
使用本领域技术人员已知的运动检测器可实现运动检测装置402，例如红外检测器。
所述设备还包括通信装置400。通信装置设置成将图像发送到预定地址。当信号处理器从运动检测器接收信号之后已经拍摄图像时，信号处理器配置成将图像发送到预定地址。例如使用蜂窝无线系统收发信机可实现通信装置。可将图像用多媒体消息(MMS)发送到另一收发信机。使用有线调制解调器、比如蓝牙的短程无线发射机或无线局域网(WLAN)收发信机也可实现通信装置。还可使用其它类型的收发信机实现通信装置。
所述设备的用户可使用用户接口114经由信号处理器对运动检测装置402和通信装置400的参数进行编程。上述讨论的参数可包括运动检测装置的覆盖区域和灵敏度以及在发送图像中使用的通信方法和地址。
图5A是说明本发明实施例的流程图。实施例涉及图1的设备。在步骤500，所述设备检测在待拍摄图像的区域的光量。在步骤502，所述设备基于检测到的光量选择是拍摄红外图像还是正常图像。如果光量小，则拍摄红外图像更有益。在步骤504，通过利用所述设备的曝光在所有波长下的传感器像素拍摄红外图像。
如果有足够的光，则优选地拍摄正常图像。在步骤506，通过利用所述设备的阻挡红外波长的传感器像素拍摄正常图像。
图5B是说明本发明的另一实施例的流程图。该实施例涉及图4的设备。在步骤508，运动检测装置检测在被监视的区域中的运动。基于所述检测，信号处理器将成像过程初始化。在步骤510，所述设备检测在监视的区域中的光量。在步骤512，所述设备基于检测到的光量选择是拍摄红外图像还是正常图像。如果光量小，则在步骤504，通过利用所述设备的曝光在所有波长下的传感器的像素来拍摄红外图像更有益。
如果有足够的光，则在步骤516，通过利用所述设备的阻挡红外波长的传感器像素来拍摄正常图像。在步骤518，拍摄的图像通过通信装置发送到预定地址。
尽管参考根据附图的示例在上文中描述了本发明，但是很清楚本发明不限于此，而可以在所附的权利要求书的范围内在几个方面进行修改。
权利要求
1.一种包括图像信号传感装置的成像设备，所述图像信号传感装置包括镜头和包含像素的图像传感器，所述图像信号传感装置设置成产生图像，所述图像信号传感装置还包括在所述图像传感器前面的红外滤光器装置，使得所述传感器的一些像素曝光在所有波长下，而所述传感器的一些像素阻挡红外波长。
2.如权利要求1所述的设备，其中所述传感器的一半像素曝光在所有波长下，而所述传感器的一半像素阻挡红外波长。
3.如权利要求1所述的设备，其中所述图像信号传感装置还包括在所述图像传感器前面的彩色滤光器装置。
4.如权利要求1所述的设备，所述图像信号传感装置还包括在所述阻挡红外波长的像素前面的彩色滤光器装置。
5.如权利要求1所述的设备，其中所述彩色滤光器装置是Bayer矩阵滤光器。
6.如权利要求1所述的设备，其中所述像素图像传感器的每隔一个像素阻挡红外波长。
7.如权利要求1所述的设备，其中所述图像传感器的像素被分成2×2像素子阵列，并且每隔一个子阵列阻挡红外波长。
8.如权利要求1所述的设备，其中所述图像传感器的像素被分成2×2像素子阵列，并且每隔一个子阵列阻挡红外波长以及每隔一个子阵列用彩色矩阵滤光器覆盖。
9.如权利要求1所述的设备，其中所述图像传感器的像素被分成2×2像素子阵列，并且每个子阵列的三个像素阻挡红外波长并用于彩色成像中，以及一个像素曝光在所有波长下并用于红外成像中。
10.如权利要求1所述的设备，其中图像传感器区域包括两个分离的区域，其中所述红外滤光器装置覆盖第一区域而彩色矩阵滤光器覆盖第二区域。
11.如权利要求1所述的设备，其中当拍摄红外图像时，所述设备配置成利用可曝光在所有波长下的图像传感器像素
12.如权利要求1所述的设备，其中当拍摄正常图像时，所述设备配置成利用阻挡红外波长的图像传感器像素。
13.如权利要求1所述的设备，其中还包括红外波长的闪光灯。
14.如权利要求1所述的设备，其中还包括用于检测待成像的区域中的光量的装置和用于确定是拍摄红外图像还是正常图像的装置。
15.一种在图像设备中创建图像文件的方法，所述方法包括提供包括具有红外滤光器装置的像素的图像传感器，使得所述传感器的一些像素可曝光在所有波长下，而所述传感器的一些像素阻挡红外波长；当拍摄红外图像时利用所述传感器的可曝光在所有波长下的像素；以及当拍摄正常图像时利用所述传感器的阻挡红外波长的像素。
16.如权利要求15所述的方法，其中还包括用彩色滤光器装置覆盖所述图像传感器阵列。
17.如权利要求15所述的方法，其中还包括用彩色滤光器装置覆盖所述阻挡红外波长的像素。
18.如权利要求15所述的方法，其中还包括检测光量；以及基于所述检测来选择是拍摄红外图像还是正常图像。
19.如权利要求15所述的方法，其中还包括将所述图像传感器的像素分组成2×2像素子阵列；每隔一个子阵列用所述红外滤光器装置覆盖所述子阵列；以及每隔一个子阵列用彩色矩阵滤光器覆盖所述子阵列。
全文摘要
提供在成像设备中创建图像文件的方法和成像设备。所述方法包括提供具有红外滤光器装置的包括像素的图像传感器，使得传感器的一些像素曝光在所有波长下而传感器的一些像素阻挡红外波长。当拍摄红外图像时利用可曝光在所有波长下的传感器像素，而拍摄正常图像时利用阻挡红外波长的传感器像素。
文档编号H04N5/33GK1894952SQ200480037244
公开日2007年1月10日 申请日期2004年12月8日 优先权日2003年12月17日
发明者S·米科宁, J·基尔梅宁 申请人:诺基亚有限公司