一种利用表面发射激光二极管的脉冲照明装置及夜间监视系统的制作方法

本实用新型涉及利用表面发射激光二极管的脉冲照明及夜间监视系统。

背景技术：

就原有激光监视装备而言，生成激光束的激光二极管的发光形态一般为边缘发射激光(EEL)，使用连续的发光，用作激光监视装备的照明。另外，就近距离的情形而言，使用加装了多个红外线LED的连续照明。因此，由于使用连续的红外线激光和LED的关系，照明使用的电力多，因此，照射激光及红外线时发生大量热，这使照明器具的寿命降低，存在需要体现复杂的冷却系统的缺点。

图1显示出以往的边缘发射二极管的形态，激光从晶片的侧面射出，是以椭圆形态的光源构成阵列后将其层叠使用的形态。因此，在用作照明光源时，由于复杂的透镜构成，制作照明时耗费大量费用。

图2显示了以往的普通LED，当为夜间监视照明时，加装多个红外线波段的LED用作照明。一般而言，夜间监视系统中使用的LED照明，把红外线波段的LED如图2所示排列成圆形加以使用，一般是在中央加装有摄像头的形态。LED的效率一般具有低于激光的效率，光的展开角大，夜间监视时，存在距离显著短于激光的缺点。

技术实现要素：

(要解决的技术问题)

本实用新型涉及夜间监视系统中使用的红外线照明和影像获得系统，为了完善原有LED及边缘发射二极管具有的缺点，利用表面发射激光二极管阵列构成光源。

(解决问题的手段)

本实用新型的利用表面发射激光二极管的脉冲照明装置包括：电源供应部，其向激光照明部供应电源；表面发射激光二极管模块，其从所述电源供应部接受电源供应，由表面发射激光二极管阵列构成；功率控制部，其向所述表面发射激光二极管模块接入脉冲型激光驱动信号；照明光学系，其调节所述表面发射激光二极管模块照射的激光的展开角度。

优选表面发射激光二极管模块由VCSEL(vertical-cavity surface-emitting laser，垂直腔面发射激光器)阵列构成。

在本实用新型的利用表面发射激光二极管的脉冲照明装置中，优选表面发射激光二极管模块发出波长800nm以上的近红外波段的激光照明光。优选功率控制部把脉冲型激光驱动信号接入表面发射激光二极管模块，且通过调整激光的占空比而控制照明强度。

本实用新型的利用表面发射激光二极管的夜间监视系统包括利用表面发射激光二极管的脉冲照明装置和影像装置，所述利用表面发射激光二极管的脉冲照明装置包括：电源供应部，其向激光照明部供应电源；表面发射激光二极管模块，其从所述电源供应部接受电源供应；功率控制部，其向所述表面发射激光二极管模块接入脉冲型激光驱动信号；照明光学系，其调节所述表面发射激光二极管模块照射的激光的展开角度；

所述影像装置包括：影像光学系，其接收所述脉冲照明装置指向方向的视野(View)的光；影像获得部，其利用穿过所述影像光学系的光信号而生成所述视野(View)的影像；影像显示部其显示所述影像获得部生成的影像。

就本实用新型的利用表面发射激光二极管的夜间监视系统而言，优选由利用表面发射激光二极管的脉冲照明装置和影像装置构成的夜间监视系统还包括同步信号控制部构成，所述同步信号控制部把生成的同步信号传送给激光照明部的功率控制部和影像获得部，被功率控制部控制的表面发射激光二极管模块的激光发光时间与所述影像获得部的影像获得时间同步，在激光发光的同时完成影像获得。

在本实用新型的利用表面发射激光二极管的夜间监视系统中，优选影像光学系内置有白天用红外线截止滤镜和夜间用Nero带通红外线滤镜，当在夜间借助于所述表面发射激光二极管模块而实现发光时，在接收光时，视野(View)的光穿过所述夜间用Nero带通红外线滤镜，被影像获得部的摄像头元件拍摄。

在本实用新型的利用表面发射激光二极管的脉冲照明装置中，优选照明光学系由准直或低发散光学系构成。

(实用新型效果)

本实用新型的红外线表面发射激光照明照射方法利用调整脉冲照明及脉冲的占空比的方式，耗电相对较低和发热较少，因而具有容易冷却的优点，使用使摄像头与激光脉冲同步而获得影像的方式，从而解决了脉冲照明与影像的不同步所导致的问题。

在本实用新型的系统中使用的表面发射激光阵列的波长，使用人眼不可见的800nm以上近红外波段。就红外线表面发射激光阵列而言，在照明领域，同时具有LED的优点和激光的优点。特别是具有远距离夜间监视、较小散斑现象、低发热率、小波长偏差等优点。

本实用新型构成得在获得夜间影像时，使用与照明激光波长一致的Nero带通滤镜(nero band pass filter)，可以只把反射的激光光线获得生成为影像。这种构成在火焰烟雾等环境下也能够穿透进行监视。

附图说明

图1是以往的边缘发射激光二极管说明图。

图2(a,b)是以往的LED结构(剖视)及LED照明构成图。

图3(a,b)是本实用新型的VCSEL的结构及VCSEL阵列构成图。

图4是本实用新型的表面发射激光(VCSEL)二极管、以往的LED和边缘发射激光(EEL)二极管的单一发光源对比图。

图5(a,b)是本实用新型相关的大功率红外线照明光源的优缺点比较。

图6是本实用新型相关的监视系统的不同照明种类的特征比较。

图7是以往的普通监视摄像头系统构成图。

图8是本实用新型的表面发射激光监视系统电路构成图。

图9是本实用新型的监视系统控制电路的信号流程图。

图10是本实用新型的监视系统的构成图。

图11是本实用新型的激光照明构成图。

图12是本实用新型的激光监视系统(照明+影像)构成图。

符号说明

10:电源供应部

20:表面发射激光二极管模块

30:功率控制部

40:照明光学系

100:脉冲照明装置

110:影像光学系

150:影像获得部

200:影像装置

300:同步信号控制部

具体实施方式

本实用新型要使用的照明光源为表面发射激光(VCSEL)二极管，具有兼具边缘发射激光二极管和LED的优点并完善其优点的特性。图3是显示VCSEL的结构和商用化的VCSEL阵列的图。图4显示了关于LED、边缘发射激光二极管及VCSEL的光释放特性，是针对单一单元使用单透镜进行照射的样子，显示出LED的发散角非常大，边缘发射激光进行侧面发光和发散成椭圆形。

表1和图5比较了VCSEL的优点和红外线光源的优缺点。就使用高功率VCSEL阵列的情形而言，在用作夜间监视系统的长距离照明方面具有更多益处。

表1为红外线光源比较。

图6是对监视装置中分别使用LED、边缘发射激光二极管、表面发射激光阵列照明时的特征及优缺点进行说明的图。如果整理VCSEL的优点，包括价格适中、封装容易、透镜组合容易、体现远距离照明、反应性快、对散斑现象(Speckle，图像的小斑纹现象)及温度变化的稳定性等，与LED和EEL相比，在照明方面有许多优点。因此，本实用新型中使用的红外线照明，使用表面发射激光(VCSEL)二极管阵列构成系统。

<与本实用新型相关的以往系统的问题>

以往的普通监视系统由作为投光仪的照明和摄像头构成。夜间监视系统由红外线投光仪和感知红外线的摄像头构成，可以分为作为发生红外线的光源而排列多个红外线LED加以使用的情形和为了军事等特殊目的而使用激光光源的情形，LED用作监视数十米近距离夜视距离的目的，激光用作监视数千米的夜视距离的目的。两种情形均使用持续照射光的连续照明方式，摄像头一般使用与照明无关地获得影像的方式。因此，当使用大功率照明时，由于持续释放光和效率的原因，热负担处于非常大的状态。特别是LED，温度差导致的波长变化非常大。为了解决这种冷却问题，存在需要应用热电半导体或特别的冷却系统而使得其冷却的问题。

以往的普通监视系统的结构如图7所示，照明部分利用LED或边缘发射激光二极管，使得在夜间连续发光。LED利用白色光及红外线，激光只使用红外线。照明光学系执行调整光线的展开角度的功能。

以往的影像光学系补正色像差，执行光学变焦功能，影像控制板具有控制摄像头的快门速度、照度等并输出影像信号的结构。

因此，就普通的夜间监视系统而言，夜间监视照明和影像获得系统在系统上独立地构成，由于连续的光源照射，需要大容量的光源，为了对其进行驱动，与可视距离更相比，需要更多电力和光源的冷却。

在本实用新型中，所谓表面发射激光二极管，是包括表面发射激光器(Surface Light Laser,Surface Radiation Laser,surface-emitting laser)、垂直腔面发射激光器(vertical-cavity surface-emitting laser,或VCSEL)、向垂直于上部表面的方向发射激光的半导体激光二极管的概念。但是，该概念不包括LED和边缘发射激光(EEL)二极管。

下面对本实用新型的构成及作用进行更详细说明。如图9至图11所示，本实用新型的利用表面发射激光二极管的脉冲照明装置包括：电源供应部10，其向激光照明部供应电源；表面发射激光二极管模块20，其从所述电源供应部10接受电源供应，由VCSEL(vertical-cavity surface-emitting laser，垂直腔面发射激光器)阵列构成；功率控制部30，其向所述表面发射激光二极管模块20接入脉冲型激光驱动信号；照明光学系40，其调节所述表面发射激光二极管模块20照射的激光的展开角度。

优选表面发射激光二极管模块20发出波长800nm以上的近红外波段的激光照明光。在该波段，当获得夜间影像时，使用与照明激光的波长一致的Nero带通滤镜(nero band pass filter)，使得可以只把反射的激光获得为影像，可以具有即使在火焰烟雾等环境下也能够透过进行监视的效果。

功率控制部30把脉冲型激光驱动信号接入表面发射激光二极管模块20，且通过调整激光的占空比而控制照明强度。

如图9至图12所示，本实用新型的利用表面发射激光二极管的夜间监视系统包括脉冲照明装置100和影像装置200。脉冲照明装置100包括：电源供应部10，其向激光照明部供应电源；表面发射激光二极管模块20，其从电源供应部10接受电源供应；功率控制部30，其向表面发射激光二极管模块20接入脉冲型激光驱动信号；照明光学系40，其调节表面发射激光二极管模块20照射的激光的展开角度。影像装置200包括：影像光学系110，其接收关于脉冲照明装置100指向方向的视野(View)的光；影像获得部150，其利用穿过影像光学系110的光信号而生成所述视野(View)的影像；影像显示部(图中未示出)，其显示影像获得部150生成的影像。

如图9至图12所示，就利用表面发射激光二极管的夜间监视系统而言，由利用表面发射激光二极管的脉冲照明装置100和影像装置200构成的夜间监视系统还包括同步信号控制部300。同步信号控制部300把生成的同步信号传送给激光照明部的功率控制部30和影像获得部150，被功率控制部30控制的表面发射激光二极管模块20的激光发光时间与所述影像获得部150的影像获得时间同步，在激光发光的同时完成影像获得。

另外，如图10所示，优选影像光学系110内置有白天用红外线截止滤镜F1和夜间用Nero带通红外线滤镜F2，当在夜间借助于所述表面发射激光二极管模块20而实现发光时，在接收光时，视野(View)的光穿过所述夜间用Nero带通红外线滤镜F2，被影像获得部的摄像头元件拍摄。优选照明光学系40由准直或低发散光学系构成。

控制电路的构成如图8所示，向激光和摄像头模块供应驱动电源，利用微电脑生成同步信号，同时控制摄像头和激光二极管的开始。激光驱动是接收微电脑的同步信号并生成脉冲，指定占空比并驱动表面发射激光二极管阵列。摄像头影像模块以来自微电脑的同步信号为基准，控制摄像头影像速度及快门，输出摄像头元件生成的影像信号。

图9是关于监视系统电路的信号的图，是根据同步信号决定激光驱动及摄像头的帧速度的结构。激光驱动信号在同步信号的向上脉冲中开始，频率及占空比，即激光开始时间根据内部设置而固定。另外，激光驱动信号切换表面发射激光器供应的主电源，体现脉冲激光照明。摄像头的影像开始时间根据同步信号决定，暴露时间在摄像头驱动电路中实现，利用影像软件进行调整。每帧的影像获得所需的光量，根据激光驱动信号的开启时间，根据即占空比决定。占空比为(1个周期的开启时间长度)/(1个周期时间长度)。1个周期时间长度的值等于开启时间长度与关闭时间长度之和。

本实用新型要构成的整体系统图如图10所示构成。电源供应部提供12V输入电流，成为表面发射激光阵列驱动电源和同步信号及摄像头驱动电源，同步信号控制部利用微电脑发生同步信号。以发生的同步信号为基准，摄像头决定影像速度，表面发射激光器实现脉冲驱动。此时使用的激光的波长使用人眼无法认知的800nm以上红外线波段。

照明光学系使用准直及低发散照明光学系，发出在照明区域均匀分布的红外线。影像光学系由把色像差减小为最小限度的成像光学系构成，白天使用红外线滤镜获得影像，夜间使用只使照明光的波段透过的Nero带通滤镜而只获得反射回来的红外线影像。

本实用新型就以上提及的优选实施例进行了说明，但并非本实用新型的范围限定于这种实施例，本实用新型的范围由以下权利要求书确定，包括属于与本实用新型均等范围的多样修订及变形。

需要指出的是，以下权利要求书中记载的附图符号单纯用于辅助对实用新型的理解，不对权利范围的解释产生影响，不得根据记载的附图符号缩窄解释权利范畴。