CN101617168B - 微衍射监视照明装置 - Google Patents

Abstract

有源红外监视照明装置使用单向微衍射材料覆盖在一组发光二极管(LED)上以将光从LED折射到目标图像上。这将能量分布情况传至与当前广角目标和广角摄影机监视系统匹配的距离。折射光的分布为椭圆形。这种分布可使用不同的衍射材料及LED组中不同的LED数量、亮度和角度进行改变。照明装置的有效范围因这种类型的照明而得以大大扩展。通过将红外(IR)照明向下限制到10度垂直窗口，由于在宽的地面场景上提供多得多的有效能量，该IR照明对监视成像更加有效，尤其使能进行多车道车牌捕获。

Description

微衍射监视照明装置

技术领域

本发明涉及低光视频监视的红外照明领域，及涉及折射器技术的应用，尤其涉及微衍射工程材料。本发明还涉及用于如多车道交通车牌读取的广角视频监视。

背景技术

由于照明的反平方规律，落在目标区域上的光强度随距离的平方成正比地降低。当使用摄影机和透镜结构查看典型的监视场景时，图像的一定比例包含前景和一定量的背景。照明目标区域的前景所需要或最佳的光量通常远低于照明目标区域的背景所需要的光量。另外，受监视目标区域通常水平方向的范围大于垂直方向的范围，因为大多数目标区域基于水平地面区域，人们或汽车跨这些地面区域行进。

大多数照明系统产生成圆形发散的光束，当与摄影机结合使用时，需要安装人员将光束的顶点指在最远的目标点处。对于固定的目标距离，在垂直方向有最佳光束外形。当在同样的距离以越来越宽的视野进行查看并匹配圆形照明时，照明装置进一步移离垂直方向的最佳点及浪费更多的光。此外，由于光源的顶点指在目标线的上方，大量的光处于目标区域上方及未被利用。

有许多使用红外照明用于低光摄影或视频摄影的系统。也有许多使用LED用于摄影或视频照明的系统。这些系统中的部分系统使用折射或反射元件发散或聚焦照明。

使用具有增强照明的折射或反射元件的LED的照明装置被改变及包括多种不同类型的折射器，这些折射器引导来自LED的光以改变目标上的照明分布和/或通过节约光而使照明更有效。

也有多种设备，其中光被安装微棱镜或类似的构造以将光折射到目标上。这些设备中的部分用在投影仪或类似系统中或用在逆光的介质效应系统中。

在本发明之前，几种必然性已结合从而限制用于广角夜间监视视频摄影的低光照明技术，尤其在几辆汽车的头灯均指向监视摄影机时捕获和读取车牌的情况更是如此。需要使监视照明脉动以节约能量。需要使监视摄影机与在已落在移动目标上之后返回到摄影机的脉动照明同步。需要在汽车跨车道行进的情况下或多个汽车车道为目标的情况下照明较宽的区域。需要广角有效的照明与广角高像素密度摄影机匹配以从大的广角场景如多车道高速公路捕获微小的快速移动的车牌。

发明内容

本发明提供监视照明装置系统，其中包括的微衍射材料放在发光歧管如一组红外LED的前面以在低光条件下为广角监视而改变目标区域上的照明形状。所产生的照明场具有椭圆高斯形状。照明装置设计成同具有与该照明装置产生的光图形匹配的纵横比灵敏度的广角监视摄影机结合使用。该新的组合代表了监视及夜间视频和摄影术的背景照明质量的突破，因为其在不移离最佳垂直轮廓的情况下即可导致宽的照明图形。

本发明导致产生非对称照明图形的能力，这使得宽区域摄影或视频覆盖的灵敏度增加，如多车道交通的广角观察；为更有效的背景照明，在平方余割分布情况下优化照明的垂直展开；减少通常用于新角度配置的LED的数量；及减少光污染，包括不可见光污染。

本发明用在智能安全的运输系统中，其中多车道路面的监视用具有广角特征的兆像素摄影机和兆宽监视器进行。本发明的监视照明装置系统在视野的不需要光的顶部或底部提供较少的光及在扩展的中心区域提供较多的光。因此，该监视照明装置系统节约能量。这使照明装置系统的光源的可用能量和热耗散特征能有效地照明广角水平问题区域。从而，仅需要更少的光总量即可实现场景的小目标分部的超高质量图像捕获，因为光通过微衍射材料而更有效地聚焦在目标分部上。

本发明提供监视照明装置系统，其中微衍射材料为“单向”材料，统计表明，其第一输出平面中的光较另一输出平面中的光更定向，如水平输出平面中的光较垂直输出平面中的光更定向，所述微衍射材料安装在包括多个光源的发光歧管前面，如在700-1000纳米红外范围发射具有约850纳米波长的光的发光二极管(LED)阵列的平面阵列。在特别有效的实施例中，所述系统的监视摄影机具有与安装在发光歧管前面的单向微衍射材料投射的光图形完全匹配的纵横比灵敏度。

本发明可采用双层微衍射材料，其结合水平和垂直材料组以从较小的透镜形状子集产生不同的非对称组合，及在某些组合情况下扩展最大衍射角。

本发明还可在照明装置的中线上面使用与下面不同的微衍射材料，这可导致非对称垂直光束轮廓，从而使能更有效的利用光进而增大照明距离。

因此，本发明相较现有照明装置，可使用距离大大增加，例如，对于包括在微衍射之前具有60度光发散角的LED的光源，可使用距离从54米增大到110米。本发明的前景/背景照明比也均匀得多，有利于产生明显更好的图像，因为摄影机不需要试图调整对前景的曝光；这能够使光更好地用在目标场景上。

附图说明

图1A为照明装置部分的俯视图，其示出来自发光歧管的光线穿过单向微衍射材料并被水平衍射。

图1B为照明装置部分的侧视图，其示出来自发光歧管的光线以可以忽略的垂直衍射穿过单向微衍射材料。

图2A为单向微衍射材料的水平截面图。

图2B为单向微衍射材料的垂直截面图。

图3为微衍射材料在高放大率下的结构。

图4为示出散热片和恒流电源的矩形LED阵列的立体图。

图5为覆在矩形LED阵列上的单向微衍射材料的立体图。

图6为由传统红外照明装置照明的目标图像图。该图示出功率密度怎样随圆形光束图形变得越来越宽而降低以注意到非对称目标的范围。

图7为由单向微衍射材料矩形LED阵列照明装置照明的目标图像图。该图表明使用椭圆形或非对称光束图形实际上不浪费光。

图8示出了本发明的另一实施例，该实施例在照明装置中线的上面使用与下面不同的材料以提供非对称垂直光束轮廓。

图9A绘出了由照明装置发射的光按光数量及水平发散角的分布函数，其中示出了该函数的半峰全宽(FWHM)。

图9B绘出了由照明装置发射的光按光数量及垂直发散角的分布函数，其中示出了该函数的半峰全宽(FWHM)。

图10A示出了由传统照明装置用圆形光束照明的汽车及其车牌。

图10B示出了使用微衍射发光歧管照明装置用类似面积的照明光束照明的两辆汽车及其车牌。

图11A示出了由微衍射发光歧管照明装置照明的四车道路面场景及由广角CCTV摄影机捕获并显示在广角监视器上的相同场景。

图11B示出了由微衍射发光歧管照明装置照明的四车道路面场景及由四个CCTV视频摄影机一次捕获两个车道。综合的图像显示在广角监视器上。

图12A为照明装置部分的俯视图，其示出来自发光歧管的光线穿过球形透镜并在通过单向微衍射材料及被水平衍射之前变窄。

图12B为照明装置部分的侧视图，其示出来自发光歧管的光线穿过球形透镜并在以可以忽略的垂直衍射通过单向微衍射材料之前变窄。

具体实施方式

参考图1A，俯视图中所见的发光歧管11包含多个近点源灯如12和13，发光歧管将光线如17发送通过单向微衍射材料14，微衍射材料使得光线如在点18处所示那样水平发散，从而使得输出光线15和16以更大的角度从照明装置传出。

参考图1B，侧视图中所见的发光歧管1具有在顶部所示的点源灯12及在图1A的可见平面下面的点源灯2和3。来自歧管1的光通过微衍射材料4，但微衍射材料的单向特性使光通过而无大的垂直发散，如点8处所示。输出光线如5和6继续接近于其初始轨迹。

参考图2A，来自LED20的、由光线25和26表征的光束通过微衍射板22的放大水平截面上的微衍射透镜21。光线25和26在微衍射透镜21上的点23和24处被衍射为更大的入射角。光线的新轨迹分别如27和28所示，并与虚线表示的初始路径对比。

参考图2B，来自LED30的、由光线34和35表征的光束通过微衍射板32的放大垂直截面。光线34和35的新轨迹分别由几乎与初始轨迹一样的36和37示出。这归因于微衍射板的透镜结构在垂直维度的极度平坦性。在该放大率水平，看不见定义透镜的曲率，及在点31和33看不见拐折。

参考图3，示出了微衍射材料的微观片段，纳米视觉折射结构具有非常高的放大率，如122、123、124和125所示，它们表现为波浪状。波峰的长度和相对平坦度使在垂直面中具有比水平面中更少的衍射。对齐的纳米视觉结构使得微衍射材料在统计上趋于在一平面如水平面中以与垂直于第一平面的另一平面如垂直面中不同的角度折射光。

参考图4，矩形LED阵列41安装在框架42内的照明外壳43上。外壳43装备有散热片45及恒流点源46。可用托架44进行安装。用于发光歧管的前窗47具有滤光特性，其使所有红外光完全通过同时阻挡更短波长的光。

参考图5，由微衍射材料50组成的板被示出，其覆盖在LED阵列51的小部分上。LED如52和54表现为在微衍射材料板下面稍变模糊。LED外壳53包含LED阵列51。

参考图6，功率密度随圆形光束图形71变得越来越宽而降低以注意到非对称目标72(房子)和73(屋顶)的范围。总功率在更大的圆70覆盖的区域内进行分配。因此，在目标的上面和下面的很多功率均被浪费。

参考图7，在使用椭圆形或非对称光束图形81时，在区域内实际上没有浪费的光，其中圆形光束80扩展到椭圆形光束81的上面和下面同时光束照明宽的目标如屋顶82和房子83。这是可用光的非常有效的利用，因而可用于增大可获得的成像距离或减少特定应用所需要的多个照明装置的数量或降低所需照明装置的大小及降低特定应用所需要的电功率。

参考图8，在照明装置中线91的上面使用与下面不同的材料可提供非对称垂直光束轮廓93。可实现光的更有效的利用，从而增大照明距离。传统照明装置具有更像92的光束轮廓，其沿垂直轴90的范围大得多。

参考图9A，由照明装置发射的光的分布被绘为铃形曲线。在垂直轴上示出光数量，在水平轴上示出来自照明装置的光的水平发散角。函数的半峰全宽(FWHM)被示为在-67.5和+67.5之间，表明来自照明装置的光具有130度的大水平发散，曲线的顶部为朝向照明场景中心的零度角。

参考图9B，由照明装置发射的光的分布被绘为铃形曲线。在垂直轴上示出光数量，在水平轴上示出来自照明装置的光的垂直发散角。函数的半峰全宽(FWHM)被示为在6和12度之间，表明来自照明装置的光具有非常低的垂直发散。

参考图10A，目标车牌62和反射器64及66由传统红外光束60照明。图像由于不足的光集中而表现为变模糊。这是出现的问题，因为传统照明装置在照明背景时浪费很多光。

参考图10B，由虚线68分隔的两个车道由更宽的微衍射监视照明装置光束61照明。在最左边的车道中，目标车牌63和反射器65及67均被发光歧管微衍射照明装置产生的集中椭圆形照明光束61清楚地照明。由于照明光束的效率，最右边车道中的第二目标车牌69也被照明，尽管图10B中的照明光束的总面积和总功率使用与图10A中的相当。形成和布置微衍射材料，使得其投射椭圆高斯分布的折射光，在水平面中具有主衍射轴，及水平发散范围大于LED阵列的角发散的两倍，而垂直发散完全不受微衍射材料的影响。在车牌应用中，相比于现有监视照明装置和摄影机系统，单向微衍射材料通过使摄影机能够更好地利用场景上的照明而使多个车道能用相同或更少的照明覆盖。

参考图11A，发光歧管微衍射照明装置201照明由四车道高速公路213组成的场景211。高速公路的图像由广角CCTV摄影机202捕获并传给广角视频监视器203，在监视器203上显示为215。从照明装置向外指的箭头(如200)指示输出光。向内指向摄影机的箭头(如199)指示从照明的场景211引入的光。

参考图11B，发光歧管微衍射照明装置204照明由四车道高速公路214组成的场景212。高速公路的图像由四个集成的专用摄影机205、206、207、208共同捕获。摄影机205和206一起工作以捕获由向下箭头210表示及来自高速公路的最左边两个车道的光。这些摄影机之一可针对日间进行优化，而另一摄影机针对夜间进行优化。或者，这些摄影机之一可针对车牌图像捕获进行优化，而另一摄影机优化为捕获汽车驾驶员或乘客的图像。摄影机207和208瞄准在所照明高速公路214的最右边两个车道上。它们可以与摄影机205和206一样的方式进行专用。从系统投射在多车道路面上的广角光可被脉动以与朝向系统行驶的汽车的车牌或其中的乘客的视频输入到广角兆像素监视摄影机同步。之后，视频输入可由字母数字图形识别软件进行处理以读取在路面上行驶的汽车的车牌信息。宽的、多车道高速公路216的图像相应地显示在广角监视器217上。

具有标准的120度圆形照明图形的表面安装LED阵列可与6度球形透镜结合以产生窄光束，之后，这些窄光束被定向微衍射。在图12A中，俯视图中所见的发光歧管311包含多个近点源灯如312和313，发光歧管将光线如317发送通过球形透镜如321和322，这使得它们在323和324变窄。之后，光线通过单向微衍射材料315，微衍射材料使得光线如在点318处所示那样水平发散，从而使得输出光线315和316以更大的角度从照明装置传出。参考图12B，侧视图中所见的发光歧管331具有在顶部所示的点源灯312及在图12A的可见平面下面的点源灯332和333。来自歧管331的光线如光325通过球形透镜如326，这使得它们在327和328变窄。之后，光线通过微衍射材料334，但微衍射材料的单向特性使光通过而无大的垂直发散，如点338处所示。输出光线如335和336继续接近于其在327和328处所示的预微衍射材料轨迹。

本发明描述的内容可以在不背离其精神与本质特征的情况下体现为其它具体的形式并具有另外的选项和附件。因此目前公开的内容在所有方面均应被视为是说明性的而不是限制性的，本发明的范围将由所附的权利要求而不是前面的描述指出，并且在权利要求等效技术方案的含义和范围之内的所有变化也应被认为包含于其中。

Claims (25)

1.监视照明装置系统，其中单向微衍射材料安装在发光歧管的前面，所述单向微衍射材料在大于所述发光歧管内的光源的角发散的两倍的范围中投射光输出的水平发散，及投射完全不受所述微衍射材料影响的光输出垂直发散，所述微衍射材料具有波浪状纳米视觉折射结构。

2.根据权利要求1的监视照明装置系统，还包括监视摄影机，该监视摄影机具有与安装在所述发光歧管前面的单向微衍射材料投射的光图形匹配的纵横比灵敏度。

3.根据权利要求1的监视照明装置系统，其中所述发光歧管包括平面阵列形式的多个发光二极管。

4.根据权利要求1的监视照明装置系统，其中所述发光歧管发射红外光。

5.根据权利要求3的监视照明装置系统，其中所述发光歧管的前窗具有滤光特性，该滤光特性使所有红外光完全通过同时阻挡更短波长的光。

6.根据权利要求1的监视照明装置系统，其中所述微衍射材料被形成和布置成使得该微衍射材料在目标区域上投射椭圆形高斯分布的红外光。

7.根据权利要求6的监视照明装置系统，其中主衍射轴在水平面中。

8.根据权利要求1的监视照明装置系统，其中所述微衍射材料投射椭圆高斯分布的折射光，在水平面中具有主衍射轴，及水平发散范围大于发光二极管阵列的角发散的两倍。

9.根据权利要求6的监视照明装置系统，其中所述微衍射材料投射具有半峰全宽水平发散的光，水平发散是来自照明装置的130度的光。

10.根据权利要求6的监视照明装置系统，其中所述微衍射材料投射在6到12度之间的半峰全宽垂直发散的光。

11.根据权利要求1的监视照明装置系统，其中所述微衍射材料第一输出平面中的光较另一输出平面中的光更定向，水平输出平面中的光较垂直输出平面中的光更定向。

12.根据权利要求1的监视照明装置系统，采用双层微衍射材料，其结合水平和垂直材料组以从较小的透镜形状子集产生不同的非对称组合。

13.根据权利要求3的监视照明装置系统，包括矩形发光二极管阵列。

14.根据权利要求3的监视照明装置系统，包括圆形发光二极管阵列。

15.根据权利要求1的监视照明装置系统，其中矩形平面发光二极管阵列具有在700-1000纳米范围中的中心波长输出。

16.根据权利要求3的监视照明装置系统，其中形成和布置微衍射材料使其投射椭圆高斯分布的折射光，在水平面中具有主衍射轴，及水平发散范围大于发光二极管阵列的角发散的两倍，及垂直发散完全不受微衍射材料的影响。

17.根据权利要求1的监视照明装置系统，，其中照明源为单一激光二极管。

18.根据权利要求1的监视照明装置系统，其中平面发光二极管阵列由恒流电源驱动。

19.根据权利要求1的监视照明装置系统，其中广角光从所述系统投射在路面上，及给监视摄影机的视频输入由字母数字图形识别模块处理以读取在所述路面上行驶的汽车的车牌信息。

20.根据权利要求19的监视照明装置系统，其中广角光从所述系统投射在多车道路面上，及给监视摄影机的视频输入由字母数字图形识别模块处理以读取所述路面的不同车道中朝向所述系统行驶的汽车的车牌信息。

21.根据权利要求1的监视照明装置系统，其中所述单向微衍射材料为包括纳米视觉结构的板，该板趋于在水平面中以不同于垂直面中的角度折射光。

22.根据权利要求1的监视照明装置系统，其中来自发光歧管的光线穿过球形透镜并以可以忽略的垂直衍射通过单向微衍射材料之前变窄。

23.根据权利要求21的监视照明装置系统，其中广角光从所述系统投射在多车道路面上，及广角光被脉动以与从朝向所述系统行驶的汽车上的车牌到广角兆像素监视摄影机的视频输入同步，所述视频输入由字母数字图形识别模块处理以读取在所述路面上行驶的汽车的车牌信息。

24.根据权利要求1的监视照明装置系统，其中在所述照明装置中线上面的微衍射材料与下面的微衍射材料不同以提供非对称垂直光束图形及增大照明距离。

25.根据权利要求1的监视照明装置系统，其中

a)歧管包括作为平面红外发光二极管阵列的多个光源，附着到散热片上以提供到照明装置主体背面的热通路及由恒流电源驱动，所述发光二极管阵列具有广角圆形照明并用透镜阵列覆盖以将更窄的光束投射到单向微衍射材料内；

b)发光歧管的前窗具有滤光特性，该滤光特性使所有红外光完全通过同时阻挡更短波长的光；

c)所述单向微衍射材料为包括纳米视觉结构的板，该板趋于在水平面中以不同于垂直面中的角度折射光；及

所述微衍射材料布置成使得该微衍射材料投射椭圆高斯分布的折射光，在水平面中具有主衍射轴，及水平发散范围大于发光二极管阵列的角发散的两倍，而垂直发散完全不受微衍射材料的影响。

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