专利名称：相机中的优化的可移动红外滤光器的制作方法
技术领域：
本发明大体来说涉及相机，且更特定来说涉及用于在变化的照明条件中产生可接受质量的视频数据的相机。
背景技术：
对于成像捕获装置的挑战之一是在多种照明条件中捕获可接受质量的图像。大多数图像捕获装置受到极低可见光或无可见光条件的挑战。一些常规相机具有可用于在低光条件中捕获图像的“夜晚模式”。然而，这些常规相机中的一些相机在“夜晚模式”中仅增加曝光时间，以便在低光条件中采集充足的光。存在关于此类相机的数个问题。首先，曝光时间的增加意味着其捕获每一图像要花费更长时间。此在一些情形下是不可接受的或不合意的，例如在其中捕获图像的延迟可导致遗漏的信息的安全/监控相机中。如果正捕获视频串流，此也可为不合意的，因为此导致较低的帧速率。此外，仅靠此解决方案仍需要存在某一量的可见光，且因此在真正低的可见光或无可见光环境中将不发挥作用。其它常规相机可使用其它解决方案，这些解决方案也具有数个问题且同样需要至少某一量的可见光且在极其低的可见光或无可见光环境中将不工作。存在其中昼夜不停地产生图像(视频及/或静止)数据的是关键的一些应用。一种此类应用是视频监控相机系统。在M小时的周期中，照明条件从夜晚到白天地改变且接着又从白天到夜晚地改变。视频监控相机通常定位于其中可见照明在夜晚时间非常低或不存在的环境中。因此，在夜晚条件中产生良好的视频尤其困难。此外，在监控相机上使用可见光源是不合意的-此可使侵入者警觉、干扰邻居等。一些现有监控相机具有非可见光源，例如使用红外(IR) LED的顶照明。人眼看不见顶照明，因此相机可保持隐秘的，且对邻居将造成少得多的妨碍。然而，此类现有相机具有非常大的像素以便在使用顶时不具有图像质量的严重降级。因此，此类相机具有非常差的分辨率且因此在许多照明环境中(包含当存在可见光时)产生不良质量的图像。顶光在正常(可见)照明条件中造成若干问题。在正常照明条件中，相机中的镜头及传感器(成像器)对红外(IR)光非常敏感。成像器由于较长波长而对顶照明非常敏感，所述较长波长比可见光更深地穿透到成像器装置衬底中且使场景中的色彩褪去，从而形成黑白图片。此尤其成问题，因为在自然光中，所有的可见光均与大量的顶光包含在一起。在高质量的相机中，在足够的光中(例如，在日间)捕获的图像应以良好的色彩及锐度而对于用产来说看上去是自然的，而同时在低或无可见光条件(例如，不具有充足可见光的夜间)中捕获的图像也应具有可接受的质量。在于极低光情形下或在无光情形下 (例如，在暗照射环境或夜晚的无照明环境中)使用的相机(例如，监控相机)中，这些相机不仅在亮照明环境中良好地工作且还在此类低光环境中良好地工作是尤其重要的。因此，需要一种不仅在良好照明环境中良好地发挥作用且还在极低可见光或无可见光环境中良好地发挥作用且其中不论是否存在可见光所捕获的图像均保持对焦的相机。此外，需要具有一种可在可见光环境的色域中发挥作用且可以简单且直观的方式从充足可见光模式切换到不充足可见光模式的相机。此外，需要一种确定是否存在借助可见光的充足照射及何时不存在充足照射的算法。此外，此相机需要具有紧凑的形状因数。另外，此相机需要对可见光与非可见光的不同波长及穿透性质进行补偿。
发明内容
本发明的实施例包含一种相机，其不仅在良好照明的环境中良好地发挥作用且还在非常低的可见光或无可见光环境中良好地发挥作用，且其中不论是使用可见光还是使用非可见(例如，IR)光来捕获图像所述图像均保持对焦。此外，根据本发明的实施例的相机可在可见光环境的色域中发挥作用且可以简单且直观的方式从充足可见光模式切换到红外光模式。此外，根据本发明的实施例的算法确定何时存在充足的可见光及何时不存在充足的可见光。根据本发明的实施例的相机在存在充足的可见光时使用可见光来捕获图像且在不存在充足的可见光时使用非可见(例如，IR)光来捕获图像。在一个实施例中，此相机包含阻挡顶光的顶滤光器。视情况，IR滤光器可放置于传感器的前方或可从所述传感器的前方移除。由于可见光包含大量的顶光且由于当也存在可见光时顶光不产生高质量的图像，因此在一个实施例中，在存在可见光的情况下使用顶滤光器来防止图像的额外曝光。 也就是说，在存在充足的可见光的情况下，IR光被镜头组合件上的位于传感器前方的顶滤光器阻挡，因此防止顶光到达所述传感器，同时允许可见光到达所述传感器。然而，当此顶阻挡滤光器处于适当位置时，低或无可见光条件会成问题，如上文所论述。因此，在一个实施例中JR滤光器可从透镜堆叠移除。因此，当不存在充足量的可用可见光时，将所述顶滤光器从透镜堆叠移除，使得顶光到达所述传感器且使用顶光来捕获图像。在一个实施例中，使用一个或一个以上顶光源来提供顶光。接通顶光源维持环境中的低可见照明。此在一些情形中是重要的。举例来说，在安全相机的情景下，不更改光环境是重要的以便不使入侵者警觉。其它实例可包含在低光条件中观看电影/TV，其中用户不想要额外的可见光。根据本发明的实施例，相机具有两种模式可见光成像模式(也称为“白天模式” 或“充足可见光模式”)及顶成像模式(也称为“夜晚模式”、“非可见模式”或“不充足可见光模式”)。在一个实施例中，在可见光成像模式中，顶滤光器与镜头组合件成一直线及 /或是透镜堆叠的位于传感器前方的一部分。在顶成像模式中，将顶滤光器从透镜堆叠以机械方式移除，且允许顶光传递到传感器。在一个实施例中，在顶成像模式中，所述相机上的顶LED的阵列提供顶照明以照射场景。这两种模式允许所述相机既在存在充足可见光时发挥作用又在不存在充足可见光但非可见光(例如，顶光)光是可用的(或可使得顶光可用)时发挥作用。在一个实施例中，所述顶滤光器以可旋转方式耦合到框架，使得可将其旋转于所述传感器前方的位置中及从所述位置中旋转出来。此可旋转机构允许顶滤光器是可移除的，同时仍占据非常小的空间且因此允许所述相机的紧凑形状因数。此外，在一个实施例中，所述相机中的光圈使得其容纳f#2镜头及1/3"成像器。在一个实施例中，系统经优化使得使用可见光及非可见光两者捕获的图像均为对焦的。应注意，IR光与可见光具有影响相机系统的光学配置的不同性质。举例来说，IR光在镜头后面的不同点处聚焦。此外，在微观上，顶光对传感器中的硅的穿透量不同于可见光的穿透。根据本发明的各种实施例，进行数个调整以计及性质上的这些差异。在一个实施例中，调整顶滤光器的厚度以对波长差异进行补偿。在一个实施例中，当提供非可见(例如，IR)光源时，适当地选择这些光源的波长。在一个实施例中，适当地选择顶滤光器的厚度及顶光源的波长两者以确保使用可见光及使用顶光两者时捕获的图像均保持聚焦。在一个实施例中，将数个像素装箱在一起以计及顶光的不同穿透性质。在一个实施例中，用户可确定何时可见光是不充足的(或充足的)且移除(或放置HR滤光器及/或接通(或关断HR光源。在一个实施例中，使用一种算法来确定何时可见光不足以捕获可接受质量及速度的图像。在一个此类实施例中，向用户提供此信息，且用户可接着决定是否移除顶滤光器及/或接通顶光源。在一个实施例中，使用所述算法的结果来自动且无缝地移除顶滤光器及/或接通顶光源而无需用户干预。在一个实施例中，当所述相机处于可见光成像模式中时，所述算法读取所述传感器的寄存器，且当所述寄存器记录小于某一阈值时，确定不能获得充足的可见光。接着将所述相机切换到顶成像模式。当处于顶成像模式中时，所述算法评估图像是否为对焦的。当图像显现为离焦时，做出存在充足可见光的确定。在一个实施例中，所述图像必须保持离焦达规定的时间量之后才将所述相机切换到可见光成像模式中。此发明内容及以下详细说明中描述的特征及优点并非包含全部，且特定来说，鉴于图示、说明书及其权利要求书，所属领域的技术人员将明了许多额外特征及优点。此外， 应注意，说明书中所使用的语言主要是针对可读性及指导性目的来选择，且可能并非选择成界定或者限制本发明标的物，本发明标的物需要借助权利要求书来确定。
本发明具有其它优点及特征，结合附图阅读对本发明的以下详细说明及所附权利要求书将更容易明了这些其它优点及特征，附图中图IA显示根据本发明的实施例的相机100的框图。图IB显示根据本发明的实施例的相机的视图。图IC显示根据本发明的实施例的相机的另一视图。图ID显示根据本发明的实施例的相机的另一视图。图IE显示根据本发明的实施例的相机的另一视图。图2图解说明色差。图3A显示正被聚焦到传感器上的顶光。图;3B显示在顶滤光器处于适当位置时正被聚焦到传感器上的可见光。图3C显示在顶滤光器未处于适当位置时可见光在传感器上是离焦的。图4是显示如何根据本发明的实施例优化相机的流程图。图5图解说明成像器的硅中的吸收深度随波长变化。图6是显示根据本发明的实施例的算法的流程图。图7显示根据本发明的实施例的用于在可见光成像模式(或“白天模式”)与顶成像模式(或“夜晚模式”)之间切换的算法的状态图表示。图8是根据本发明的实施例的系统的框图。
具体实施例方式所述图(或图式)仅出于图解说明的目的来描绘本发明的实施例。应注意，各图中的类似或相似参考编号可指示类似或相似功能性。依据以下论述，所属领域的技术人员将容易认识到，可在不背离本发明原理的前提下采用本文中所揭示的结构及方法的替代实施例。应注意，此处术语“相机”是指任一种类的图像捕获装置。此装置可仅捕获视频、 仅捕获静止图像或捕获两者。另外，此相机还可捕获音频。此外，此相机可以是独立装置或集成到另一装置中，例如智能电话、蜂窝电话、个人数字助理(PDA)、膝上型计算机、平板计算机、机顶盒、遥控装置等等。此外，此相机可包含位于相同物理装置内的所有所需处理器或可与定位于其它装置(例如，用户的PC、远程定位的服务器等)中的处理器通信。此外， 术语“图像”可以是指静止图像、视频或两者。还应注意，尽管在本文中的数个实施例中论述顶光的使用，但替代或除了顶光也可使用其它类型的非可见光(例如，紫外光等)，此并不背离本发明的范围。此外，还有可能使用符合本发明的各种实施例的范围的其它类型的电磁辐射(例如，微波、X射线、Y射线
寸J O本发明的实施例适用于其中的一个实例是在安全/监控相机中。在安全/监控设定中，夜晚的暗照明或无照明的环境是常见的。此外，在此类应用中，用可见光照射用于捕获的场景通常不是可行的选项。此可能出于各种原因。例如，住宅附近的此可见光可能是对邻居的干扰。此外，此可见光可能不必要地使入侵者警觉视频记录正在进行中。此外，在此视频监控环境中，不论照明条件如何均以不中断的方式继续捕获图像信息通常是非常重要的。本发明的实施例适用于其中的另一实例是在用户正在观看电影/TV等且他/她不想要许多的可见光时。例如，用户可能已调暗灯以在他的计算机或他的TV上观看某一内容(在家庭房间或起居室中)，且在这样做的同时接收到视频呼叫。此视频呼叫可以画中画型实施方案进展，其中所述视频呼叫在一窗口中进行同时正在观看的内容在另一窗口中继续。或者，用户可暂停所述内容且接受所述视频呼叫，但仍可能不期望增加房间中的照度级。在又一情形下，用户可能希望经由视频呼叫共享正在观看的内容。又一些实例包含军事应用及科学应用。应注意，上文仅为其中可使用本发明的实施例的情形的实例，且本发明的实施例决不应限于这些实例。优化的可移动IR滤光器图IA显示根据本发明的实施例的相机100的框图。所述相机包含镜头110JR滤光器120、传感器140、处理器150及IR光源160。镜头110可以是收集光并将其引导到传感器140的任一装置。所述镜头可以是单个透镜或可由数个透镜(透镜堆叠)构成。在一个实施例中，镜头Iio为f#2镜头。本发明的一些实施例的一个方面涉及放置于传感器140前方(即，在所述传感器与正成像/记录的对象/场景中间)且从传感器140前方移除的顶滤光器120。当将顶滤光器120放置于所述传感器前方时，其阻挡顶光到达传感器140。传感器140接收可见光且基于此所接收的可见光来捕获图像。然而，当不将顶滤光器120放置于传感器140前方时，顶光可到达传感器140。此通常是在存在的可见光不足以产生可接受质量的图像时进行。在一个实施例中，顶滤光器120由玻璃衬底构成。在一个实施例中，所述玻璃衬底涂覆有阻挡顶光的材料。视情况，将顶滤光器120添加到透镜堆叠或从透镜堆叠移除。 在一个实施例中，可使用一个以上滤光器，及/或所述滤光器可以是各种滤光器、透镜等的组合。下文论述选择顶滤光器120来优化相机100以保持所捕获的图像对焦而不论是使用可见光还是使用顶光来捕获其的具体细节。传感器或成像器140可以是任一传感器，例如CXD传感器、CMOS传感器、VGA传感器、高分辨率传感器(例如，HD传感器)等。在一个实施例中，传感器140为1/3"成像器。处理器150可以是具有执行所需处理而需要的智能的任一处理器。在一个实施例中，包含一个或一个以上顶光源160。这些顶光源160经接通以产生顶光。在一个实施例中，两个强力顶光源提供用于多达30英尺半径的顶照射。在一个实施例中，这些顶光源160是例如LED的非相干光源。在一个实施例中JR光源160是例如激光器的相干光源。在一个实施例中，选择所使用的光源160的波长以优化相机100从而确保所捕获的图像保持对焦，而不论是使用可见光还是使用顶光来捕获所述图像。特定来说，在一个实施例中，所述顶光源经选择以便对顶滤光器120的厚度及其它因数进行补偿，使得顶光最终聚焦于所述传感器上。以下是对此的进一步论述。例如JR光的波长从约SOOnm到IOOOnm地变化，且因此结合所选择的顶滤光器的厚度来适当地选择此范围中的波长(如下文所论述)。在一个实施例中，使用850nm的LED作为顶光源160。如上文所提及，如果使用不同类型的电磁辐射，那么将从适当的可用范围中适当地选择所述波长。在一个实施例中，还可包含可见光源(未显示)。在一个实施例中，相机100以通信方式耦合到计算机180。参考图8对此进行更详细的论述。图IB到IE是根据本发明的实施例的相机100的各种视图。可看出，此相机包含镜头110、传感器(未显示)及顶滤光器120。在所显示的实施例中，顶滤光器120位于臂135上，所述臂以可旋转方式耦合到所述相机的框架130。此可旋转耦合可使用例如铰链 137的任何构件来完成。在一个实施例中，镜头110安装于此框架中。在另一实施例中，镜头110安装于与所述顶滤光器以可旋转方式耦合到的框架不同的框架中。在一些实施例中，盖138保护相机100中的各种元件不受外来元件、尘埃粒子等的影响。图ID显示顶滤光器120处于第一位置中，其中其在所述传感器与正成像的对象/场景中间，而图IE显示 IR滤光器120处于第二位置中，其中其不在所述传感器与正成像的对象/场景中间。顶滤光器120的可旋转耦合允许相机100的非常紧凑的形状因数。在一个实施例中，顶滤光器120的线性移动是可能的，但此需要更多的空间。用户可根据本发明的实施例使用开关、操纵杆或某一此类其它机构来手动地完成这些功能(例如JR滤光器的移除或放置JR光源的接通或关断等)中的一者或一者以上。 在一个实施例中，用户可使用软件选择来控制这些功能。在一个实施例中，电子地/自动地完成这些功能中的一者或一者以上。在一个此类实施例中，一种算法构成确定何时适于放置或移除顶滤光器120、接通及/或关断顶源160等的基础。下文论述关于一种此类算法的细节。在一个实施例中，可自动地及/或通过用户选择来实施这些功能中的一者或一者以上。在一个此类实施例中，此可取决于由用户选择的模式等等。
尽管此处所显示的实施例显示顶滤光器120是放置于镜头110与传感器140之间，但在其它实施例中顶滤光器120位于镜头110前方-也就是说，位于镜头110与正成像的对象之间。在一个实施例中，根据本发明的实施例的相机100具有两种模式-可见光成像模式(也称为“白天模式”或“充足可见光模式”)及顶成像模式(也称为“夜晚模式”、“非可见模式”或“不充足可见光模式”)。在可见光成像模式中，IR滤光器120与镜头组合件110 成一直线及/或是透镜堆叠的位于传感器前方的一部分。在顶成像模式中，将顶滤光器 120从透镜堆叠110以机械方式移除，且允许顶光传递到传感器140。在一个实施例中，在顶成像模式中，所述相机上的顶LED 160的阵列提供顶照明以照射场景。这两种模式允许所述相机既在存在充足可见光时发挥作用又在不存在充足可见光但顶光是可用的(或可使得顶光可用)时发挥作用。在一个实施例中，镜头110JR滤光器120及传感器140安装于框架130中的光圈 125内。在一个实施例中，光圈125经确定大小以容纳f#2镜头及1/3"成像器。在一些实施例中，在根据本发明的一些实施例的相机100中，考虑到可见光与顶光的不同性质以通过确保相机100使用可见光及顶光两者捕获可接受质量的图像来优化相机100。存在影响其中顶光不同于可见光的图像捕获的两个主要方面。第一方面是可见光与顶光之间的波长差异。可见光(其通常由紫色到红色波长构成)具有比顶光短得多的波长。第二方面是顶光比可见光远得多地穿透到传感器中的硅中。尽管考虑到这些光学性质中的一些性质且设计仅借助可见光或仅借助顶光工作的相机可相对容易，但这些方面中的每一者均使得具有使用可见光及顶光两者来充分地发挥作用的相机100具有挑战性。现在详细地论述这些方面中的每一者。图2图解说明色差。此图显示每一波长的光如何具有不同的焦距且因此如何在相同镜头后面的不同距离处聚焦。图2显示红色、绿色及蓝色可见光。如从表1可看出，甚至在可见光谱内的不同色彩的光的波长也是相当不同的。
权利要求
1.一种图像捕获设备，其包括框架，其具有光圈；镜头，其用于收集由所述光圈允许穿过的光；传感器，其用于接收所述所收集的光；及红外滤光器，其耦合到所述框架，所述红外滤光器用于阻挡住红外光，所述红外滤光器可从第一位置移动到第二位置，其中在所述第一位置中，所述红外滤光器位于所述传感器的前方以便不允许红外光到达所述传感器，且在所述第二位置中，所述红外滤光器不位于所述传感器的前方以便允许红外光到达所述传感器，其中所述镜头及所述红外滤光器使得在所述红外滤光器处于所述第一位置中时可见光聚焦于所述传感器上，且在所述红外滤光器处于所述第二位置中时红外光聚焦于所述传感器上。
2.根据权利要求1所述的图像捕获设备，其中所述红外滤光器安装于摆动臂上，所述摆动臂以可旋转方式耦合到所述框架。
3.根据权利要求1所述的图像捕获设备，其中所述图像捕获设备为相机。
4.根据权利要求3所述的图像捕获设备，其中所述相机为视频监控相机。
5.根据权利要求3所述的图像捕获设备，其中所述相机为网络相机。
6.根据权利要求1所述的图像捕获设备，其进一步包括红外光源。
7.根据权利要求6所述的图像捕获设备，其中所述红外光源为红外LED。
8.根据权利要求6所述的图像捕获设备，其中所述红外光源的波长经选择以在所述红外滤光器处于所述第二位置中时使红外光聚焦于所述传感器上。
9.根据权利要求1所述的图像捕获设备，其中所述相机具有其中红外传感器处于所述第一位置中的第一模式及其中所述红外传感器处于所述第二位置中的第二模式。
10.根据权利要求9所述的图像捕获设备，其中在所述第二模式中红外光源是接通的。
11.根据权利要求1所述的图像捕获设备，其中所述红外滤光器的厚度经选择使得当所述红外滤光器处于所述第一位置中时使所述可见光聚焦于所述传感器上，且当所述红外滤光器处于所述第二位置中时使红外光聚焦于所述传感器上。
12.一种用于视情况而使用红外光或可见光来捕获图像的方法，所述方法包括在第一模式中确定是否存在充足量的可见光来捕获可接受质量的图像；响应于存在充足量的可见光的所述确定，保持于所述第一模式中，其中使用可见光在传感器上捕获图像；响应于不存在充足量的可见光的所述确定，切换到第二模式，其中使用非可见辐射在所述传感器上捕获图像；在所述第二模式中，确定是否存在充足量的可见光；及响应于当处于所述第二模式中时存在充足量的可见光的所述确定，切换到所述第一模式。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述非可见辐射为红外光。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述切换到所述第二模式的步骤包括将红外滤光器从所述传感器的前方移除，以便允许红外光到达所述传感器。
15.根据权利要求14所述的方法，其进一步包括接通红外光源。
16.根据权利要求14所述的方法，其进一步包括接通装箱以将由所述传感器上的数个像素捕获的光组合到单个箱中。
17.根据权利要求13所述的方法，其中所述切换到所述第一模式的步骤包括从所述传感器的前方定位红外滤光器，其中所述红外滤光器阻挡红外光到达所述传感ο
18.根据权利要求17所述的方法，其进一步包括 关断红外光源。
19.根据权利要求12所述的方法，其中所述在第一模式中确定是否存在充足量的可见光来捕获可接受质量的图像的步骤包括读取所述传感器的寄存器以确定所寄存的光量是否高于阈值。
20.根据权利要求12所述的方法，其中所述在所述第二模式中确定是否存在充足量的可见光的步骤包括将所述图像的聚焦值与初始聚焦值进行比较；及响应于所述聚焦值与所述初始值相差大于阈值，确定所述图像为离焦的。
21.根据权利要求20所述的方法，其进一步包括响应于所述聚焦值与所述初始值相差小于阈值，确定所述图像为对焦的。
22.根据权利要求20所述的方法，其进一步包括 在预定的时间量内，检查所述图像是否保持离焦。
23.一种包含用于使计算机实施方法的指令的计算机可读媒体，所述方法包括 在第一模式中确定是否存在充足量的可见光来捕获可接受质量的图像；响应于存在充足量的可见光的所述确定，保持于所述第一模式中，其中使用可见光在传感器上捕获图像；响应于不存在充足量的可见光的所述确定，切换到第二模式，其中使用非可见辐射在所述传感器上捕获图像；在所述第二模式中，确定是否存在充足量的可见光；及响应于当处于所述第二模式中时存在充足量的可见光的所述确定，切换到所述第一模式。
24.根据权利要求23所述的计算机可读媒体，其中所述在所述第二模式中确定是否存在充足量的可见光的步骤包括将所述图像的聚焦值与初始聚焦值进行比较；及响应于所述聚焦值与所述初始值相差大于阈值，确定所述图像为离焦的。
全文摘要
本申请案涉及相机中的优化的可移动IR滤光器。本发明的实施例包含一种相机，其具有两种模式可见光成像模式(白天模式)及IR成像模式(夜晚模式)。在所述可见光成像模式中，IR滤光器与镜头组合件成一直线。在所述IR成像模式中，以机械方式移除所述IR滤光器，且允许IR光传递到传感器。在一个实施例中，在所述IR成像模式中，由所述相机上的IR LED提供IR照明来照射场景。在一个实施例中，各种组件经选择、平衡及优化使得使用可见光捕获的图像及使用非可见光捕获的图像两者均为对焦的。在一个实施例中，一种算法确定何时存在充足的可见光及何时不存在充足的可见光，且因此确定何时将所述相机从一种模式切换到另一种模式。
文档编号H04N7/18GK102346358SQ201110034929
公开日2012年2月8日 申请日期2011年1月28日 优先权日2010年7月29日
发明者徐丁嘉, 戴伊娃, 托德·韦布, 杰弗里·B·兰开斯特, 菲利普·艾伦·邦克, 马克·纳尔逊 申请人:罗技欧洲公司