CN104317143A - 图像获取装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供的图像获取装置，包括相机(1)以及为相机(1)补光的补光源(2)；补光源(2)为激光光源，图像获取装置还包括设置在相机(1)镜头(11)处的球壳型滤光片(3)，球壳型滤光片(3)的内外表面为同心的两个球面，球壳型滤光片(3)的球心位于镜头(11)的出瞳中心和入瞳中心的连线上；其中：a-b/2≤c≤a+b/2；a是球壳型滤光片(3)的中心波长，b是球壳型滤光片(3)的带宽，c是激光光源的波长，a、b和c均是正数，激光光源的亮度高于通过球壳型滤光片(3)的阳光亮度。本发明提供的图像获取装置能够达到更好地降低阳光对相机拍摄的影响，进而提高相机所获取图像质量的目的。

Description

图像获取装置

技术领域

本发明涉及图像采集设备技术领域，更为具体地说，涉及一种图像获取装置

背景技术

相机在进行户外图像拍摄时常常会遇到阳光的干扰，导致拍摄以天空为背景的物体时阳光背景过强，甚至饱和，物体表面反射的阳光使得图像出现不应出现的亮区。

为了降低阳光对拍摄的影响，目前通常采用平片滤光片来滤除进入到相机镜头内的部分阳光以降低干扰。但是经过平片滤光片的阳光能量仍然过强，阳光对相机的拍摄影响仍然较大，最终导致相机获取的图像质量较差。

可见，如何更好地降低阳光对相机拍摄的影响，进而提高相机所获取图像的质量，是本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

本发明提供一种图像获取装置，以达到更好地降低阳光对相机拍摄的影响，进而提高相机所获图像质量的目的。

为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

图像获取装置，包括相机以及为所述相机补光的补光源；所述补光源为激光光源，所述图像获取装置还包括设置在所述相机镜头处的球壳型滤光片，所述球壳型滤光片的内外表面为同心的两个球面，所述球壳型滤光片的球心位于所述镜头的出瞳中心和入瞳中心的连线上；

其中：a-b/2≤c≤a+b/2；

a是所述球壳型滤光片的中心波长，b是所述球壳型滤光片的带宽，c是所述激光光源的波长，a、b和c均是正数，所述激光光源的亮度高于通过所述球壳型滤光片的阳光亮度。

优选的，上述图像获取装置中，所述球壳型滤光片位于所述镜头的内侧，且所述球壳型滤光片的凹面朝向所述镜头。

优选的，上述图像获取装置中，所述球壳型滤光片的球心与所述镜头的出瞳中心重合。

优选的，上述图像获取装置中，所述球壳型滤光片的主峰膜位于所述球壳型滤光片的凹面，所述球壳型滤光片的非主峰膜位于所述球壳型滤光片的凸面，且所述球壳型滤光片的球心与所述镜头的出瞳中心在所述出瞳中心和入瞳中心的连线方向具有设定距离。

优选的，上述图像获取装置中，所述球壳型滤光片与所述镜头的镜筒滑动配合，且能够沿所述出瞳中心和入瞳中心的连线方向滑动。

优选的，上述图像获取装置中，所述相机为线阵相机，所述补光源为线性激光光源。

优选的，上述图像获取装置中，所述补光源包括准直聚焦模块、线性发散模块和安装基础；其中：

所述准直聚焦模块包括激光器和用于将所述激光器发出的激光聚焦的透镜组，所述透镜组和所述线性发散模块顺序布置在所述激光器的激光光路上，且所述激光器和所述线性发散模块分别布设在所述透镜组的两侧；

所述线性发散模块包括并排布置的多个平凸非球面柱透镜，多个所述平凸非球面柱透镜面对所述透镜组的入光侧表面为曲面，背离所述透镜组的出光侧表面为平面；

所述激光器、所述透镜组和所述线性发散模块均设置在所述安装基础上。

优选的，上述图像获取装置中，所述安装基础包括滑轨和设置在所述滑轨上，且与所述滑轨滑动配合的滑动部，所述滑动部与所述透镜组固定相连。

优选的，上述图像获取装置中，所述线性激光光源还包括：

用于检测拍摄视场距所述线阵相机距离的距离检测装置；

与所述滑动部相连，用于驱动所述滑动部滑动的驱动装置；

与所述驱动装置和所述距离检测装置相连，根据所述距离检测装置的检测结果控制所述驱动装置工作的控制器。

优选的，上述图像获取装置中，所述激光器的功率大于或等于2W。

本发明提供的图像获取装置的工作过程如下：激光光源为相机补光，激光光源发出的光投射到被摄物上后被反射，由于激光光源的波长处于球壳型滤光片所允许通过的光波长范围内，所以被摄物发射的激光光源的光线能够通过球壳型滤光片进而进入到相机的镜头内，相应的，外界阳光经过球壳型滤光片之后较多地被滤除，而且被球壳型滤光片滤除后剩下的阳光进入到相机的镜头内，由于这一部分阳光的亮度低于进入到镜头内激光的亮度，因此被摄物可以在相机内较好地成像，能够进一步减少图像拍摄中背景阳光过强、甚至饱和以及图像中出现背景光亮区等问题，最终能够较好地提高图像质量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是本发明实施例提供的图像获取装置的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的相机的一种结构示意图；

图3是本发明实施例提供的球壳型滤光片的镀膜示意图；

图4是光线在镜头出瞳中心入射与在球壳型滤光片的球壳球心入射的示意图；

图5是本发明实施例提供的线性激光光源的准直聚焦模块的工作原理示意图；

图6是本发明实施例提供的线性激光光源的工作原理示意图；

图7是本发明实施例提供的聚焦调节机构的结构示意图。

上图1-图7中：

相机1、补光源2、球壳型滤光片3、蒸发源4、镜头11、主峰面41、非主峰面42、准直聚焦模块21、线性发散模块22、接收屏23、线性光斑24、激光器201、透镜组202、平凸非球面柱透镜221、入光侧表面2211、出光侧表面2212、驱动装置25、控制器26、距离检测装置27。

具体实施方式

本发明实施例提供了一种图像获取装置，达到了更好地降低阳光对相机拍摄的影响，能够提高相机所获图像的质量。

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明实施例中的技术方案，并使本发明实施例的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明实施例中的技术方案作进一步详细的说明。

请参考附图1，图1示出了本发明实施例提供的图像获取装置的结构。图1所示的图像获取装置包括相机1、补光源2和球壳型滤光片3。本发明实施例中的补光源2为激光光源，用于为相机1补光。球壳型滤光片3设置在相机1的镜头11处，且为球壳状结构，即球壳型滤光片3的内外表面为同心的两个球面。球壳型滤光片3用于滤光，且球壳型滤光片3的球心位于相机1镜头11的出瞳中心和入瞳中心连线上。需要说明的是，光学系统的孔径光阑在光学系统物空间所成的像称为系统的入瞳，入瞳的位置和直径代表入射光束的位置和口径，本发明实施例中入瞳中心是入瞳位置的中心。相应的，光学系统的孔径光阑在光学系统像空间所成的像称为系统的出瞳，出瞳的位置和直径代表了出射光束的位置和口径。本发明实施例中的出瞳中心是出瞳位置的中心。

本发明实施例中的球壳型滤光片3的中心波长、球壳型滤光片3的带宽以及激光光源的波长存在如公式(1)所示的关系：

a-b/2≤c≤a+b/2   (1)

公式(1)中，a是球壳型滤光片3的中心波长，b是球壳型滤光片3的带宽，c是激光光源的波长，a、b和c均是正数。

本发明实施例提供的图像获取装置中，激光光源的亮度高于通过球壳型滤光片3的阳光亮度。

本发明实施例提供的图像获取装置工作过程如下：激光光源为相机1补光，激光光源发出的光投射到被摄物上后被反射，由于激光光源的波长处于球壳型滤光片3所允许通过的光波长范围内，所以被摄物发射的激光光源的光线能够通过球壳型滤光片3后进入到相机1镜头11内。相应的，外界阳光经过球壳型滤光片3之后较多地被滤除，而且被球壳型滤光片3滤除后剩下的阳光进入到相机1的镜头11内，由于这一部分阳光的亮度低于进入到镜头11内的激光亮度，因此被摄物可以在相机1内较好地成像，进而能够进一步减少图像拍摄中背景阳光过强、甚至饱和以及图像中出现背景光亮区等问题，最终能够较好地提高图像质量。

另外，本发明创造的发明人在实现本方案的过程中发现，相机1视场内的光线入射到平片滤光片后，越靠近中心的光线越以接近垂直于滤光片表面的方式入射，而越靠近边缘的光线的光锥角度越大(也就是光线越倾斜地入射滤光片的表面)。此种情况会出现滤光片中心波长蓝移的现象。举例而言，由于光锥角度的影响，中心波长为500nm的滤光片，由于光锥角度而导致的蓝移现象，最终滤光片的中心波长为480nm，为了保证预设500nm的波段的光能够透过以达到预设目的，所以带宽至少在40nm。因此，为了解决上述蓝移现象对平片滤光片中心波长的影响，通常平片滤光片的带宽较大，此种情况下又会使得更多波段的阳光通过平片滤光片，最终影响滤光性能，通过平片滤光片的阳光仍然过多、过强。本发明实施例提供的球壳型滤光片3的球心位于镜头11出瞳中心和入瞳中心的连线上，且为球壳状结构的两个表面为同心的球面，能够减小入射到其表面光线的光锥角，进而能够减小蓝移现象，此种情况下球壳型滤光片的带宽可以设计的较小，进而使得球壳型滤光片具有较好的滤光效果，能够进一步提高本发明实施例提供的图像获取装置所获取图像的质量。

本发明实施例中，球壳型滤光片3的中心波长可以为大气的阳光光谱吸收峰所对应的波长，由于大气的阳光光谱吸收峰所对应波长的阳光被大气吸收最多，此种情况下通过球壳型滤光片3的阳光强度最小，能够更好地降低图像拍摄过程中背景阳光对图像质量的影响。

更为优选的，本发明实施例提供的球壳型滤光片3的球心可以与镜头11的出瞳中心重合，也可以与镜头11的入瞳中心重合，如图4所示。此种情况下，相机1视场内的任何一点光线都能够以近似于垂直球壳型滤光片3表面的方向入射到球壳型滤光片3表面，能够进一步缓解光锥角度引起的滤光片中心波长的蓝移现象，最终能够进一步提高图像质量，达到较好地抵抗阳光干扰的问题。

本发明实施例提供的图像获取装置中，球壳型滤光片3可以设置在相机1的镜头11外侧，如图2所示；也可以设置在相机1的镜头11内侧。球壳型滤光片3设置在相机1的镜头11外侧会导致相机的体积增大。为此，优选的方案中，球壳型滤光片3设置在相机1的镜头11内侧。为了进一步缓解光线入射球壳型滤光片3是光锥角较大所产生的蓝移现象，当球壳型滤光片3设置在相机1的镜头11内侧时，球壳型滤光片3的凹面朝向镜头11，且球壳型滤光片3的球心与镜头11的出瞳中心重合，此时光线几乎以垂直于球壳型滤光片3表面的方向入射，这能够进一步减小光锥角以保证整个相机体积较小前提下，进一步缓解光线入射球壳型滤光片3所产生的蓝移现象。当球壳型滤光片3设置在相机1的镜头11外侧时，球壳型滤光片3的凹面朝向镜头11，且球壳型滤光片3的球心与镜头11的入瞳中心重合，同样能够进一步缓解光线入射所产生的蓝移现象。

本发明实施例提供的图像获取装置中，球壳型滤光片3为等厚度光学玻璃，几乎不会影响相机1的成像质量。但是在实际的制造过程中，球壳型滤光片3的制造精度会影响滤光片的性能。本发明实施例中的球壳型滤光片3可以为法-珀干涉仪形式的镀光膜系。此种镀膜形式形成的球壳型滤光片3包括主峰面41和非主峰面42。其中，主峰面41指的是法---珀干涉仪形式的镀光膜系镀膜面，用来确定带通滤光片的中心波长和带宽。主峰面在中心波长附近起作用，用来保证中心波长带宽范围内的光可以透过，同时带宽范围外的光透过率迅速截止。非主峰面42，又称为截止面，通常镀在滤光片主峰面对面的膜。非主峰面42对远离中心波长波段的光有较好的滤除效果，进而弥补主峰面41对远离中心波长波段的光截止效果不好的缺点。例如，中心波长为550nm，带宽为20nm的窄带滤光片，其主峰面保证550nm的光可以透过，但是大于560nm和小于540nm的光线透过率急剧衰减，然后红外、近红外和紫外的滤光效果无法保证。非主峰面42的作用是对红外、近红外和紫外光实施滤除，对550nm附近的光不影响。目前，通常通过蒸发法镀膜方式完成滤光片两面的镀膜，以形成主峰面41和非主峰面42。以球壳型滤光片3设置在相机1的镜头11内部为例，球壳型滤光片3的凹面面对镜头11，如图1所示。此种情况下，主峰面41位于球壳型滤光片3的凹面，非主峰面42位于球壳型滤光片3的凸面。这种球壳型滤光片3的镀膜过程如图3所示。在镀膜时，球壳型滤光片3的凹面边缘距离蒸发源较近，我们知道，距离蒸发源4越近镀膜材料的分子扩散距离短，镀膜材料分子的量较大，进而会造成边缘的膜厚度会比中间厚。当镀膜的厚度大于设计值时会引起红移现象。举例而言，中心波长为550nm的窄带滤光片如果镀膜时厚度增加了10％，则该窄带滤光片实际就成为一个中心波长为550nm的滤光片，此时通过滤光片的光的波长更长，即出现所谓的红移现象。如上文中所述，当光线倾斜地入到滤光片的表面时，滤光片表面的膜的反射光之间的干涉行为会发生变化，透过滤光片的中心波长会变短，即出现蓝移现象。入射光入射的倾斜角度越大，蓝移现象越大。为此，本发明实施例提供的图像获取装置中，球壳型滤光片3的球心与相机1镜头11的出瞳中心不重合，进而使得罩设到球壳型滤光片3表面的光入射倾斜角改变，对于同一距离而言，入射光线随光线偏离镜头11的主光轴角度增大而增大，沿主轴的光线在球壳型滤光片3表面的入射角为0度，偏角量大的光线在球壳型滤光片3的表面的入射角是最大的，也就是说越靠边的位置蓝移越大，这正好与红移现象的趋势相同。对于不同的距离值而言，同一束光线在球壳型滤光片3表面的入射角随镜头11的出瞳中心到球壳型滤光片3的距离增大而增大，相应的蓝移现象越严重。可见，本发明实施例提供的图像获取装置中，球壳型滤光片3的球心与镜头11的出瞳中心在所述出瞳中心和入瞳中心连线方向具有设定距离，能够实现蓝移现象与红移现象的抵消，进而进一步消除蓝移现象和红移现象对图像成像质量的影响。为了方便调节球壳型滤光片3的球心与镜头出瞳中心之间的距离(如图4所示)，本发明实施例提供的图像获取装置中，球壳型滤光片3与镜头11的镜筒滑动配合，且能够沿出瞳中心和入瞳中心的连线方向滑动。

本发明实施例提供的图像获取装置中，相机1可以为线阵相机，与之相对应的，补光源2为线性光源。本实施例不限制线性光源的种类。目前，通常采用鲍威尔棱镜对激光器发出的光斑进行整形以得到线性光源。但是，鲍威尔棱镜整形形成的线性光斑均匀性较好，但是鲍威尔棱镜的成产周期长、生产成本高。

请参考附图5-6，本发明实施例提供了一种补光源2。所提供的补光源2为线性激光光源。所提供的线性激光光源包括准直聚焦模块21、线性发散模块22和安装基础。

其中，准直聚焦模块21包括激光器201和透镜组202。激光器201用于发出激光。透镜组202用于将激光器201所发出的激光聚焦在某一设定距离处，例如透镜组202将激光器201所发出的激光聚焦在接收屏23上。本发明实施例中，透镜组202将激光器201所发出的激光聚焦在被摄物上。透镜组202和线性发散模块22顺序地布置在激光器201的激光光路上，激光器201和线性发散模块22分别布设在透镜组202的两侧，线性发散模块22包括并排布置的多个平凸非球面柱透镜221。多个平凸非球面柱透镜221面对透镜组202的一侧为入光侧，且入光侧表面2211为曲面，背离透镜组202的另一侧为出光侧，且出光侧表面2212为平面。

安装基础为准直聚焦模块21和线性发散模块22提供安装的基础，即激光器201、透镜组202和线性发散模块22均设置在安装基础上。通常，安装基础为底座式结构。

下面以本发明实施例提供的线性激光光源投射到接收屏23为例来说明其工作过程。具体工作过程如下：激光器201发出的带有发散角的激光经过透镜组202后若不经过线性发散模块22，则会在接收屏23上形成一个圆形光斑，如图5所示。所形成的圆形光斑在Y方向(以图5和6中的平面坐标系为准)的尺寸为整个线性激光光源所形成的线性光源的宽度尺寸，即准直聚焦模块21能够决定线性光源所形成的线性光斑的宽度。经过透镜组202之后的激光入射到线性发散模块22的平凸非球面柱透镜221后，由于平凸非球面柱透镜221在Y方向没有曲率，只有在X方向有曲率，所以对激光入射到平凸非球面柱透镜221之后所形成的线性光斑24的宽度没有影响。由于平凸非球面柱透镜221的入光侧表面2211为曲面，出光侧表面2212为平面，因此入射到平凸非球面柱透镜221的激光在X方向上被入光侧表面2211分散开，即入射到入光侧表面2211的光线经过平凸非球面柱透镜221之后光散更加分散，进而使得后续形成的线性光斑24的能量均匀性较好。本发明实施例中的平凸非球面柱透镜221和透镜组202中的镜片均可以机器生产，生产周期短，相应的生产成本低，进而很好地解决了线性光源能量分布均匀性与鲍威尔棱镜的制作周期长、制作成本高之间的矛盾。而且这种线性光源在X方向分散能够决定线性光斑24的全扇角。

本发明实施例提供的线性激光光源中，每一根平凸非球面柱透镜221对激光的整形作用相互独立，以阵列的形式紧密排列多根平凸非球面柱透镜221而形成的线性发散模块22设置在准直聚焦模块21整形后的激光光路上，只要透镜组202输出的光斑尺寸大于其中任何一根平凸非球面柱透镜221的宽度即可。通过调节平凸非球面柱透镜221的数量或者平凸非球面柱透镜221的宽度就可以设计不同尺寸大小的线性发散模块22，进而能够降低对线性发散模块22的安装精度要求。

如上文所述，安装基础是准直聚焦模块21和线性发散模块22的安装基础，可以为底座式结构。本发明实施不限制安装基础的具体种类及结构。在实际应用过程中，本发明实施例提供的线性激光光源可能需要为线阵相机在不同距离处实施补光。由于光向更远距离处投射时会出现光能量损失，或者鲍威尔棱镜的棱宽尺寸小于入射光斑的尺寸时会出现光能量损失(会导致光能量利用率低)，进而会导致线性光源无法较好地实现补光。为了解决此问题，本发明实施例提供一种优选结构的安装基础。安装基础包括滑轨和设置在滑轨上，且与滑轨滑动配合的滑动部，滑动部与透镜组202固定相连。通过调节滑动部能够改变透镜组202与激光器201之间的距离，进而使得激光器201发出的激光能够聚焦在不同距离处。

为了进一步优化上述技术方案，请参考附图7，本发明实施例提供的线性激光光源还可以包括聚焦调节机构，所述的聚焦调节机构可以包括距离检测装置27、驱动装置25和控制器26。其中，距离检测装置27用于检测拍摄视场距线阵相机距离的检测装置，驱动装置25与滑动部相连，用于驱动滑动部滑动，控制器26与距离检测装置27相连，用于根据距离检测装置27的检测结果控制驱动装置25工作。距离检测装置27可以为激光测距装置，也可以为雷达测距装置，本发明实施例不限制距离检测装置27的具体种类。

本发明实施例中的激光器201的功率可以大于或等于2W，能够实现较高功率的照明，以提高线性光斑24的亮度，最终能够提高图像获取装置所获取图像的质量。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。

以上所述的本发明实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.图像获取装置，包括相机(1)以及为所述相机(1)补光的补光源(2)；其特征在于，所述补光源(2)为激光光源，所述图像获取装置还包括设置在所述相机(1)镜头(11)处的球壳型滤光片(3)，所述球壳型滤光片(3)的内外表面为同心的两个球面，所述球壳型滤光片(3)的球心位于所述镜头(11)的出瞳中心和入瞳中心的连线上；

其中：a-b/2≤c≤a+b/2；

a是所述球壳型滤光片(3)的中心波长，b是所述球壳型滤光片(3)的带宽，c是所述激光光源的波长，a、b和c均是正数，所述激光光源的亮度高于通过所述球壳型滤光片(3)的阳光亮度。

2.根据权利要求1所述的图像获取装置，其特征在于，所述球壳型滤光片(3)位于所述镜头(11)的内侧，且所述球壳型滤光片(3)的凹面朝向所述镜头(11)。

3.根据权利要求2所述的图像获取装置，其特征在于，所述球壳型滤光片(3)的球心与所述镜头(11)的出瞳中心重合。

4.根据权利要求2所述的图像获取装置，其特征在于，所述球壳型滤光片(3)的主峰面(41)位于所述球壳型滤光片(3)的凹面，所述球壳型滤光片(3)的非主峰面(42)位于所述球壳型滤光片(3)的凸面，且所述球壳型滤光片(3)的球心与所述镜头(11)的出瞳中心在所述出瞳中心和入瞳中心的连线方向具有设定距离。

5.根据权利要求4所述的图像获取装置，其特征在于，所述球壳型滤光片(3)与所述镜头(11)的镜筒滑动配合，且能够沿所述出瞳中心和入瞳中心的连线方向滑动。

6.根据权利要求1所述的图像获取装置，其特征在于，所述相机(1)为线阵相机，所述补光源(2)为线性激光光源。

7.根据权利要求6所述的图像获取装置，其特征在于，所述补光源包括准直聚焦模块(21)、线性发散模块(22)和安装基础；其中：

所述准直聚焦模块(21)包括激光器(201)和用于将所述激光器(201)发出的激光聚焦的透镜组(202)，所述透镜组(202)和所述线性发散模块(22)顺序布置在所述激光器(201)的激光光路上，且所述激光器(201)和所述线性发散模块(22)分别布设在所述透镜组(202)的两侧；

所述线性发散模块(22)包括并排布置的多个平凸非球面柱透镜(221)，多个所述平凸非球面柱透镜(221)面对所述透镜组(202)的入光侧表面(2211)为曲面，背离所述透镜组(202)的出光侧表面(2212)为平面；

所述激光器(201)、所述透镜组(202)和所述线性发散模块(22)均设置在所述安装基础上。

8.根据权利要求7所述的图像获取装置，其特征在于，所述安装基础包括滑轨和设置在所述滑轨上，且与所述滑轨滑动配合的滑动部，所述滑动部与所述透镜组(202)固定相连。

9.根据权利要求8所述的图像获取装置，其特征在于，所述线性激光光源还包括：

用于检测拍摄视场距所述线阵相机距离的距离检测装置(27)；

与所述滑动部相连，用于驱动所述滑动部滑动的驱动装置(25)；

与所述驱动装置(25)和所述距离检测装置(27)相连，根据所述距离检测装置(27)的检测结果控制所述驱动装置(25)工作的控制器(26)。

10.根据权利要求7-9中任意一项所述的图像获取装置，其特征在于，所述激光器(201)的功率大于或等于2W。