CN106716592A - 具有光电阴极的双模式图像采集装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种图像采集装置(100)，该图像采集装置包括用于将入射光子通量转换成电子通量的光电阴极(110)、传感器(130)以及处理装置(14)，根据本发明的装置包括基本滤光器矩阵(120)，每个基本滤光器与传感器的至少一个像素相关联，所述矩阵被设置在所述光电阴极的上游。所述矩阵包括原色滤光器，以及称之为全色滤光器的透明滤光器。所述处理装置(140)被配置成：计算称之为有用量(I)的量，用于确定传感器的至少一个区域是处于弱照射条件还是处于强照射条件，该有用量表示传感器的一组全色像素上检测的光子或电子的平均表面通量；仅在所述区域处于强照射条件时才基于该区域的原色像素形成所述区域的图像。
Description
技术领域
本发明涉及夜视图像采集装置的领域，该夜视图像采集装置包括适用于将光子通量转换成电子通量的光电阴极。本发明的领域更具体地为使用矩阵彩色滤光器的装置的领域。
背景技术
已知现有技术中存在不同的包括光电阴极的夜视图像采集系统。
例如，一种这样的装置是包括适用于将光子的入射通量转换成初级电子通量的光电阴极的影像增强管。该初级电子通量在增强管内传播，其中，初级电子通量通过第一静电场来朝向倍增装置加速。
这些倍增装置接收所述初级电子通量，并且作为响应提供次级电子通量。在倍增装置的输入面上入射的每个初始电子激发倍增装置的出口面那侧上的多个次级电子的发射。因此，由弱的初级电子通量而产生了强烈的次级电子通量，简而言之，由非常低强度的光辐射产生强烈的次级电子通量。
次级电子通量通过第三静电场而朝向荧光屏加速，该荧光屏将次级电子通量转换成光子通量。由于倍增装置，荧光屏所输出的光子通量对应于光电阴极上入射的光子通量，除了荧光屏所输出的光子通量的强度更大。换句话说，光电阴极上入射的光子通量中的每个光子对应于荧光屏提供的光子通量的多个光子。
光电阴极和倍增装置被放置在设置有输入窗的真空管中，该输入窗用于允许光电阴极上入射的光子通量通过该输入窗。可以通过荧光屏来封闭真空管。
当光电阴极上入射的光子通量被转换为初始电子通量时，有关光子波长的信息丢失。因此，由荧光屏所输出的光子通量对应于单色图像。
文献GB 2302444公开了一种能够恢复多色图像的影像增强管。
原色滤光器的第一矩阵位于光电阴极的上游，以在光子到达光电阴极之前对光子的入射通量进行过滤。
原色滤光器是不透射可见光谱中与该原色互补的那部分光谱的光谱滤光器。因此，原色滤光器是能够透射如下项的光谱滤光器：可见光谱中与该原色相对应的那部分光谱、以及潜在地红外光谱的大概一部分，以及甚至近紫外光谱(200nm至400nm)的一部分或甚至紫外光谱(10nm至200nm)的一部分。
原色滤光器的第一矩阵由红色、绿色和蓝色滤光器组成，这些滤光器在光电阴极上绘制原色像素。因此，光电阴极的给定像素上入射的光子通量对应于给定的原色。光电阴极作为响应所输出的电子通量不直接包含任何色度信息，但对应于给定的原色。
增强管的输出处、由荧光屏输出的光子通量对应于白光，这是特别对应于红、绿和蓝的多个波长的组合。该通量通过原色滤光器的第二矩阵进行过滤。该第二矩阵在荧光屏上绘制原色像素。因此，由荧光屏的给定像素所发射的光子通量通过原色滤光器进行过滤。在输出处所获得的来自于该原色滤光器的光子通量对应于给定的原色。第二矩阵与第一矩阵相同，并且与第一矩阵对准。因此，荧光屏上的像素与光电阴极的像素对准。因此，输出处所产生的来自于第二矩阵的图像由与输出处的来自于第一矩阵的像素化图像的增强图像相对应的三原色的像素组成。
因此，结果是提供彩色图像的夜视增强管。然而，由于存在两个原色滤光器矩阵，该增强管具有高能量损耗，并且这对于需要对电子通量进行强烈增强的场景而言是存在问题的。
本发明的一个目的是提供一种能够在将由能量损失引起的偏差最小化的同时采集彩色图像的图像采集装置。
发明内容
该目的通过一种图像采集装置来实现，该图像采集装置包括：
光电阴极，被配置成将光子的入射通量转换成电子通量；
由称为像素的元素的矩阵组成的传感器；以及
处理装置。
根据本发明：
所述装置包括基本滤光器矩阵，每个基本滤光器与所述传感器的至少一个像素相关联，所述矩阵位于所述光电阴极的上游，使得光子的初始通量在到达所述光电阴极之前通过所述矩阵；
所述矩阵包括：原色滤光器，该原色滤光器不透射可见光谱中与所述原色互补的一部分；以及被称为全色滤光器的、透射整个可见光谱的滤光器；以及
所述处理装置被配置成：
计算被称为有用量的量，用于确定传感器的至少一个区域是处于弱照射条件还是强照射条件，所述有用量表示传感器的被称为全色像素的一组像素上检测到的光子或电子的平均表面通量，每个全色像素均与全色滤光器相关联；
仅在所述区域处于强照射条件时才基于所述区域中与原色像素相关联的像素形成所述区域的彩色图像。
根据一个有利的实施例，光电阴极位于真空腔内，并且基本滤光器矩阵位于所述真空腔的输入窗上。
作为一种变型，光电阴极位于由光纤束封闭的真空腔内，并且基本滤光器矩阵的每个基本滤光器色设置在所述光纤束的光纤的一端上。
传感器可以是光敏传感器，处理装置可以被配置成计算表示光子的平均表面通量的量，并且该装置还可以包括：
倍增装置，被配置成接收所述光电阴极所发射的电子通量，并且作为响应提供次级电子通量；以及
荧光屏，被配置成接收次级电子通量并且作为响应提供光子通量，该光子通量被称为有用光子通量，所述传感器被设置成接收所述有用光子通量。
作为一种变型，传感器可以是一种对电子敏感的传感器，其被配置成接收光电阴极所发射的电子通量，并且处理装置可以被配置成计算表示电子的平均表面通量的量。
优选地，全色滤光器表示75％的基本滤光器。
基本滤光器矩阵有利地通过对以下图案进行周期性的二维重复来生成：
其中，R、G、B分别表示红色、绿色和蓝色的原色滤光器，W表示全色滤光器，除了R、G、B排列之外的被定义为所述图案。
作为一种变型，基本滤光器矩阵可以通过对以下图案进行周期性二维重复来生成：
其中，Ye、Ma、Cy分别表示黄色、品红色和青色的原色滤光器，W表示全色滤光器，除了Ye，Ma，Cy排列之外的被定义为所述图案。
处理装置优选地被配置成：
如果所述有用量小于第一阈值，则确定所述区域有弱照射，以及
如果所述有用量大于第二阈值，则确定所述区域有强照射，所述第二阈值高于所述第一阈值。
如果有用量介于第一阈值与第二阈值之间，则处理装置有利地被配置成将所述区域的单色图像与彩色图像组合，所述区域的单色图像是从该区域的全色像素获得的。
处理装置优选地被配置成：
根据所述传感器的一组完整的全色像素形成单色图像；
将该单色图像分割成均匀区域；以及
针对传感器的与均匀区域相关联的每个区域，独立地计算相应的有用量，以确定所述区域是处于弱照射条件还是强照射条件。
基本滤光器矩阵还可以包括不透射光谱中的可见部分的红外滤光器，每个红外像素与被称为红外像素的至少一个像素相关联。
当区域处于弱照射条件时，处理装置被有利地配置成：
将预定红外阈值与被称为次级量的量进行比较，所述次级量表示该区域的红外像素所检测到的光子或电子的平面表面通量；
当所述次级量高于预定红外阈值时，将从该区域的全色像素获得的单色图像与从该区域中的红外像素获得的伪彩色图像进行叠加。
作为一种变型，当区域处于弱照射条件时，处理装置被有利地配置成：
从该区域中的红外像素开始，识别该区域的子区域，所述子区域检测红外光谱中均匀的平均光子或电子表面通量；
针对由此所识别的每个子区域，将预定红外阈值与被称为次级量的量进行比较，该次级量表示该子区域的红外像素所检测的光子或电子的平均表面通量；
当所述次级量高于所述预定红外阈值时，将从该子区的全色像素获得的单色图像与从该子区中的红外像素获得的伪彩色图像叠加。
基本滤光器矩阵可以包括由光学投影系统投影的图像。
本发明还涉及一种图像形成方法，该方法实现在包括光电阴极和传感器的装置中，所述光电阴极被配置成将入射的光子通量转换成电子通量，所述方法包括如下步骤：
对初始的光子通量进行过滤以获取入射的光子通量，该过滤步骤利用基本滤光器矩阵，该基本滤光器矩阵包括：原色滤光器，该原色滤光器不透射可见光谱中与所述原色互补的一部分；以及被称为全色滤光器的、透射整个可见光谱的滤光器；
计算被称为有用量的量，用于确定传感器的至少一个区域是处于弱照射条件还是处于强照射条件，该有用量表示传感器的被称为全色像素的一组像素上检测的光子或电子的平均表面通量，每个全色像素均与全色滤光器相关联；
仅在所述区域处于强照射条件时才基于所述区域中与原色像素相关联的像素形成所述区域的彩色图像。
附图说明
在参考附图阅读了示例性实施例的描述之后，将更好地理解本发明，所述示例性实施例的描述是纯粹地出于提供信息的目的而给出的并且是非限制性的，在附图中：
图1示意性地示出了根据本发明的装置的原理；
图2示意性地示出了根据本发明的处理装置所执行的处理的第一实施例；
图3A和图3B示意性地示出了根据本发明的基本滤光器矩阵的第一实施例的两个变型；
图4示意性地示出了根据本发明的装置的第一实施例；
图5A和图5B示意性地示出了根据本发明的装置的第二实施例的两个变型；
图6示意性地示出了根据本发明的基本滤光器矩阵的第二实施例；以及
图7示意性地示出了根据本发明的处理装置所执行的处理的第二实施例。
具体实施方式
图1示意性地示出了根据本发明的图像采集装置100的原理；
装置100包括按照背景技术中所描述的那样进行操作的光电阴极120，以及位于该光电阴极上游的基本滤光器111的矩阵110。例如，可以使用GaAs(砷化镓)光电阴极。可以使用任何其它类型的光电阴极，特别是在尽可能宽的波长光谱中敏感的光电阴极，包括可见光(约400nm至800nm)，以及可能的近红外或甚至红外光，和/或近紫外线(紫外线)，或者甚至紫外线。
每个基本滤光器111对光电阴极120上的位置处的入射光进行过滤。因此，每个基本滤光器111限定了光电阴极120上的像素。
基本滤光器111是至少两个不同类别的透射滤光器：原色滤光器和透明(或全色)滤光器。
在背景技术中已经对原色基本滤光器进行了限定。矩阵110的基本滤光器包括三种类型的原色滤光器，换句话说，三原色滤光器。这使得能够对可见光谱中的所有颜色进行加法或减法合成。特别地，每种类型的原色滤光器仅透射可见光谱的一部分，换句话说，400nm至700nm的波长间隔的波段，并且不同类型的原色像素一起覆盖该整个间隔。除了可见光谱的一部分之外，每个原色滤光器可以透射近红外或甚至红外光谱的一部分和/或近紫外线或甚至紫外线光谱的一部分。在加法合成的情况下，滤光器可以是红色、绿色、蓝色滤光器，或在减法合成的情况下，滤光器可以是黄色、品红色、青色滤光器。在不脱离本发明的框架的情况下，本领域技术人员可以实现其他原色集合。
全色基本滤光器允许整个可见光谱通过。如果适用，全色基本滤光器还可以透射近红外或甚至红外光谱的至少一部分和/或近紫外线或甚至紫外线光谱的一部分。全色基本滤光器可以是对于可见光而言透明的元件，或者可以是矩阵110中的开口。在该第二种情况下，位于这些全色基本滤光器下面的光电阴极的像素接收未过滤的光。
不同类型的原色滤光器和全色滤光器稀疏地分布在基本滤光器矩阵上。
基本滤光器有利地以图案的形式布置，在光电阴极120的平面中周期性地沿着通常正交的两个不同方向重复。每个图案优选地包括每个类型的至少一个原色滤光器，和多个全色滤光器。
尽管所示的基本滤光器是正方形的，但是它们可以是任意几何形状，例如，形式为六边形、圆盘或者根据本发明的装置100的传递函数相关的约束而限定的表面。
根据本发明的基本滤光器矩阵可以是真实的或虚拟的。
当基本滤光器矩阵由具有一定厚度的基本滤光器(例如干涉滤光器或者由聚合物材料制成的基本滤光器)组成时，则认为基本滤光器矩阵是真实的。
当基本滤光器矩阵由基本滤光器的第二矩阵的投影在光电阴极上游侧的图像组成时，则认为基本滤光器矩阵是虚拟的。在这种情况下，基本滤光器的第二矩阵由基本滤光器的真实矩阵组成。基本滤光器的第二矩阵位于光学投影系统的物平面中。在该光学投影系统的图像平面中形成的图像对应于基本滤光器的所述虚拟矩阵。该变型的一个优点是，它避免了将真实矩阵设置在所需要的位置所带来的难点。
在参考附图开发的所有示例中已经开发了基本滤光器的真实矩阵的示例。可以实现多种变型，以基本滤光器的虚拟矩阵替代基本滤光器的真实矩阵。优选地，根据本发明的装置于则会包括上文所述的基本滤光器的第二矩阵和光学投影系统。
优选但非限制性地，全色基本滤光器在矩阵110中的比例大于或等于50％。有利地，全色基本滤光器的比例等于75％。原色基本滤光器可以以相等的比例分布。作为一种变型，原色基本滤光器以不同的比例进行分布。优选地，第一类型原色滤光器的比例不超过其他类型的原色滤光器的比例的两倍。例如，全色基本滤光器的比例等于75％，第一原色滤光器的比例等于12.5％，第二原色滤光器和第三原色滤光器的比例分别等于6.25％和6.25％。
矩阵120接收光子的初始通量。出于示意性目的，示出了光子的初始基本通量101，每个初始基本通量与基本滤光器111相关联。光子的初始基本通量101一起形成多色图像，并且可以包括位于可见光、近红外光，甚至红外光谱中的光子。
基本滤光器111传送经过滤的基本通量102，经过滤的基本通量一起形成入射在光电阴极上的光子通量。光电阴极120响应于该光子的入射通量而发射电子通量。存在与每个经过滤的基本通量102相对应的电子的基本通量103。经过滤的基本通量102所包含的光子越多，则相应的电子的通量103越重要。电子的基本通量103不直接传输任何色度信息，而是直接取决于由对应的元素滤光器111传输的光子的数量。电子的基本通量103一起形成由光电阴极120发射的电子的通量。
根据本发明的装置100还包括数字传感器130。如下面详细描述的，传感器130可以直接接收由光电阴极120发射的电子的通量。作为一种变型，由光电阴极120发射的这种电子的通量可以转换成光子的通量，使得传感器130最终接收光子的通量。由于图1是仅示出本发明的原理的图示，传感器130直接示出在光电阴极120之后。传感器130可以是对光子或电子敏感的传感器，并且可以是在光电阴极120与传感器130之间插入其他元件。
传感器对光电阴极发射的电子或者根据这些电子而获得的光子敏感。
优选地，传感器对以下项敏感：
在400-900nm波段内的光子，或甚至400-1100nm波段内的光子，或甚至从紫外线变化到近红外的波谱段，例如，200-1100nm的光谱段内的光子；或者
源自该波段内的光子的电子。传感器由对光子或对电子敏感的、称为像素131的元素的矩阵组成。
每个基本滤光器111与传感器的至少一个像素131相关联。换句话说，每个基本滤光器111与传感器的至少一个像素131对准，使得由该基本滤光器111透射的光子所产生的电子或光子通量的最大部分到达该至少一个像素131。每个基本滤光器111优选地与传感器的确切一个像素131相关联。优选地，基本滤光器111的区域对应于传感器的像素131的区域，或者对应于与传感器的并列的整数个像素131相对应的区域。
由于每个基本滤光器111与传感器的至少一个像素131相关联，因此，传感器的、与全色基本滤光器相关联的像素可以称为“全色像素”，并且传感器的、与原色基本滤光器相关联的像素可以称为“原色像素”。全色像素检测与由全色滤光器透射的光谱带相关联的电子或光子。任意类型的原色像素检测与由相应类型的原色滤光器透射的光谱带相关联的电子或光子。
传感器130连接至处理装置140，换句话说，连接至特别包括处理器或微处理器的计算装置。处理装置140接收由传感器130所输出的电信号作为输入，当传感器对光子敏感时，对于每个像素131而言的电信号对应于该像素所接收或检测的光子通量，或者，当传感器对电子敏感时，对于每个像素131而言的电信号对应于该像素所接收或检测的电子通量。处理装置140在输出端提供与在基本滤光器矩阵上入射的光子的基本通量相对应的图像，该通量已被增强。
处理装置140被配置成向传感器的每个像素分配关于与所述像素相关联的基本滤光器的类型的信息。为此，处理装置存储用于将传感器的每个像素与基本滤光器的类型相关联的信息。该信息可以是反卷积矩阵的形式。因此，当通过光电阴极时而损失的光谱信息由处理装置140进行恢复。
处理装置140被配置成执行如图2所示的处理。
根据下面描述的第一实施例，处理装置通过插入传感器的所有全色像素来创建单色图像。该图像称为“传感器的单色图像”。然后，处理装置将传感器分割成多个区域，每个区域在由相应的全色像素检测的光子或电子的通量方面是均匀的。
这种类型的分割的示例描述在S.Tripathi等人发表在国际计算机科学和管理研究杂志第1卷、第4期、2012年11月，第838-843页，题为“图像分割：概述(ImageSegmentation:a review)”的论文。
处理装置然后执行如下步骤。
第一步骤280估算量该量表示由传感器的分别对光子或电子敏感的区域中的全色像素接收和检测的光子或电子的平均表面通量。
此量称为“有用量”。有用量可以等于所述光子或电子的平均表面通量。如果传感器130对光子敏感，则有用量可以是传感器的区域中的全色像素上的平均亮度。因此，有用量可以是在传感器的一组所谓全色像素上检测到的光子或电子的平均表面通量。
因此，可以认为有用量提供了对传感器的所述区域上的照射的测量。
弱照射条件与(以绝对值的形式的)有用量的低值相关联。强的照射条件与(以绝对值的形式的)有用量的高值相关联。
强照射条件与例如与大于450μLux与550μLux(勒克司)之间的第一阈值的光照射相关联。弱照射条件与例如小于介于400μLux与550μLux之间的第二阈值的光照射相关联，并且第一阈值可以与第二阈值相等。如果第一阈值与第二阈值不相等，则第一阈值严格地大于第二阈值。
第二步骤281将有用数量和阈值Fth进行比较。如果有用量大于阈值Fth，则传感器区域处于强照射条件。如果有用量小于阈值Fth，则传感器区域处于弱照射条件。
步骤280和步骤281一起形成确定传感器130的区域是处于弱照射条件还是强照射条件的步骤。
例如，当获取由月亮(夜间级别1至3)照射的夜景图像时，可能出现强烈的照射。弱照射可以例如发生在获取未被月亮照射的夜景图像(夜间级别4至5，即，小于500μLux的光照度)期间。
如果区域处于强照射条件，则使用该区域的原色像素来形成该区域的彩色图像(步骤282A)。据说该装置在强照射操作模式下进行操作。
特别地，形成每个原色的图像，并且将每个原色的图像组合在一起。通过将该区域的与所述原色相关联的像素进行插值来形成原色图像。插值可以克服给定原色的传感器像素的小比例的问题。原色的像素的插值包括使用这些像素的值来在如下情况下估算如果相邻像素也是该原色的像素的话相邻像素原本所具有的值。
可以对原色图像进行可选处理以对这些原色图像进行锐化(图像锐化)。例如，可以通过如下方式来获取区域的单色图像：对该区域的全色像素进行插值，并且(可能高通过滤之后)将该单色图像与该相同区域的每个原色图像组合。由于矩阵中全色像素的比例远大于原色像素的比例，因此改善了原色图像的分辨率。
如果区域处于弱照射的条件，则使用该区域的全色像素形成所述区域的单色图像。具体地，使用该区域的全色像素形成单色图像(步骤282B)，而不使用该区域的原色像素来形成单色图像。再次，可以通过对该区域中的全色像素进行插值来获得单色图像。这被说成该装置在弱照射操作模式下进行操作。
重要的是要注意弱照射和强照射之间的区别是基于根据传感器的全色像素得到的测量值，因此，是对于由这样的传感器检测的整个光谱而言得到的测量值，换句话说，是对于至少所有可见光谱而言得到的测量值。
对于传感器的每个先前所标识的区域执行这些步骤。
然后，对传感器的不同区域的彩色图像或单色图像进行组合以获得来自整个传感器的图像。然后来自整个传感器的图像可以被显示，或被存储在存储器中以稍后进行处理。
作为一种变型，形成每个强照射区域的彩色图像，然后将对应于这些强照射区域的区域替换为传感器的用于分割的单色图像中的这些区域的彩色图像。
根据另一变型，线性组合由传感器的单色图像和这些彩色图像组成。因此，彩色图像和单色图像被叠加在强照射区域中。
在上述示例中，传感器的区域被单独处理。作为一种变型，确定整个传感器是处于弱照射条件还是强照射条件，并且以相同的方式处理整个传感器。在这种情况下，没有对传感器的单色图像进行分割，并且也没有对图像进行组合。步骤280、步骤281和步骤282A或步骤282B施加在传感器的整个表面区域上。换句话说，如上所述的传感器区域对应于整个传感器。
因此，处理装置140接收来自传感器的信号作为输入，存储用于将传感器中的每个像素与基本滤光器的类型相关联的信息，并且提供由彩色图像或者单色图像、或者彩色图像与单色图像的组合构成输出。
因此，本发明公开了一种图像采集系统，该图像采集系统被配置成在可能的情况下，根据传感器的区域上所检测的场景的照射来采集该传感器的区域的彩色图像。当该照射变得不足时，该装置提供该区域的从全色基本滤光器获得的图像，因此具有最小的能量损失。该装置自动选择一种或另一种操作模式。
应当注意，在传感器130上不存在基本滤光器的第二矩阵，因为考虑到处理期间传感器的特定像素与光电阴极上游的特定基本滤光器相关是足够的。因此，所获得的结果是具有高能量效率的图像采集装置。
根据该第一实施例的第一变型，从一个操作模式到另一个操作模式的切换会发生滞后，以避免切换噪声(颤动)。为了实现这一点，为从强照射模式到弱照射模式的过渡提供了有用量的第一阈值，并且为反向过渡提供了用于有用量的第二阈值，第一阈值被选择为低于第二阈值。
根据第一实施例的第二变型，从一个模式到另一个模式的切换逐步地进行，经历过渡阶段。因此，当有用量小于第一阈值时，图像采集装置在弱照射模式下操作，而在有用量大于被选择为大于第一阈值的第二阈值时，则图像采集装置在强照射模式下操作。当有用量介于第一阈值与第二阈值之间时，图像采集装置使通过在强照射模式下处理所获得的图像与通过在弱照射模式下处理所获得的图像进行线性组合，加权系数分别由有用量与第一阈值的差值和有用量与第二阈值的差值来给出。
理想地，每个基本滤光器111与传感器的至少一个像素131对准，使得传感器的与基本滤光器相关联的每个像素仅接收对应于该基本滤光器的光子或电子。然而，由于通过根据本发明的装置的传播，可以存在空间扩展，特别是由光电阴极发射的电子的通量的空间扩展。该缺点可以通过初始校准步骤来减轻，使得基本滤光器和传感器像素之间的对准缺陷可以在稍后得到补偿。该校准旨在对由于根据本发明的装置的光学元件(光电阴极和可能的倍增装置和荧光屏)的传递函数引起的轻微劣化进行补偿。在该校准期间，基本滤光器矩阵被一个接着一个的(每个对应于原色滤光器的原色之一)、不同的单色光束照射，并且传感器130所接收到的信号被测量。下一步是推导出由处理装置140存储的去卷积矩阵。在操作期间，处理装置140将传感器发送的信号与反卷积矩阵相乘。因此，在乘以反卷积矩阵之后，信号被重建得像该信号原本在理想条件下由传感器发射而没有任何空间扩展那样。每个原色滤光器(以及，参见下文，可能的每个红外滤光器，)优选地被全色滤光器完全包围。因此，在由光电阴极发射的电子通量进行了空间扩展的情况下，校准过程被简化。
作为一种变型或补充，对构成基本滤光器矩阵的滤光器的几何形状进行校准，以便补偿所述空间扩展造成的影响。在根据本发明的装置(光电阴极和可能的倍增装置和荧光屏)的光学元件发生变形之后，基本滤光器的图像则完美地叠加在传感器的一个或多个像素上。
相邻基本滤光器之间的间隙有利地是不透明的，以便阻挡可能在没有穿过基本滤光器的情况下会到达光电阴极的所有辐射。
图3A和图3B示意性地示出了根据本发明的基本滤光器矩阵110的第一实施例的两个变型。
在图3A上，原色基本滤光器是红色(R)滤光器、绿色(G)滤光器或蓝色(B)滤光器。该矩阵包括75％的全色滤光器(W)。
矩阵110是通过对基本4×4图案进行二维周期重复来生成的：
该矩阵的变型可以通过对图案(1)中的R滤光器、G滤光器、B滤光器进行排列来获得。红色或蓝色像素的数量是绿色像素的两倍。当组合三原色图像以形成彩色图像时，可以通过适当的加权因子来校正这种不平衡。
图3B中的矩阵对应于图3A中的矩阵，其中R原色滤光器、G原色滤光器、B原色滤光器由黄色(Ye)原色滤光器、品红色(Ma)原色滤光器和青色(Cy)原色滤光器替代。此外，可以对Ye、Ma、Cy滤光器进行排列。
根据图3A中所示的矩阵的一个变型(未示出)，全色滤光器表示基本滤光器的50％，并且基本模式如下：
其中X＝R，G或B，Y＝R，G或B，并且Y≠X。
此外，可以对R滤光器、G滤光器、B滤光器进行排列。
作为一种变型，模式(2)中的R滤光器、G滤光器、B滤光器由Ye滤光器、Ma滤光器、Cy滤光器代替。
图4示意性地示出了根据本发明的装置400的第一实施例。仅对图4与图1之间的差异进行描述。在该实施例中，使用如上所述的校准步骤是特别有利的。
装置400基于“强化CMOS”(ICMOS)或“强化CCD”(ICCD)技术。
光电阴极420被放置真空管450内部，该真空管450的类型为根据如在背景技术中描述的现有技术中的影响增强管中的真空管。真空管是指具体为管状的真空腔。
真空管450具有输入窗451，特别是对于可见光而言是透明的，并且对于近红外光或甚至红外光而言可能是透明的。输入窗允许入射在光电阴极上的光子通量进入真空管内部。输入窗可以特别地由玻璃制成。输入窗优选地是单个板。基本滤光器矩阵410粘合在输入窗451的一个面上，并且优选地粘合在真空管的内部。光电阴极压靠基本滤光器矩阵410。可以在输入窗上、围绕基本滤光器矩阵410沉积金属层(未示出)，以便形成用于施加静电场的电接触点。
在光电阴极420的下游具有如背景技术所描述的倍增装置461和荧光屏462。
荧光屏发射被称为有用通量的光子通量，该光子通量被传感器430所接收。传感器430是感光的。具体地，该传感器可以是CCD(电荷耦合器件)传感器或者CMOS(互补金属氧化物半导体)传感器。在图4上，传感器430被示出在真空管内，传感器430与处理装置440之间的电子连接穿过真空管。
处理装置440按照参考图2所述的方式进行操作，有用量表示由传感器430的全色像素检测到的光子的表面通量。
传感器430可以与荧光屏直接接触，以限制由荧光屏发射的光子束的可能的空间扩展。在这种情况下，传感器430可以在真空管内部，或者在真空管外部并且压靠在由荧光屏形成的真空管的输出面上。
传感器430可以安装在真空管450的外部。
特别地，光纤束可以将荧光屏与传感器430的像素连接，光纤束形成真空管的输出窗。这种光纤束特别适合于传感器430的表面区域小于真空管的内径的情况。在这种情况下，每根光纤在荧光屏末端处的直径大于该光纤在传感器端的直径。光纤束变薄，并且减少了荧光屏输出的图像。
图5A和图5B示意性地示出了根据本发明的装置500的第二实施例的两个变型。
仅对图5A与图1之间的差异进行描述。
器件500基于EBCMOS(电子轰击CMOS)技术。
光电阴极520位于真空管550内。
真空管550具有输入窗551，特别是对于可见光而言是透明的，并且对于近红外光或甚至红外光而言可能是透明的。
基本滤光器矩阵510粘合在输入窗551的一个面上，并且优选地粘合在真空管的内部。
传感器530位于真空管550内部，并且直接接收由光电阴极发射的电子通量。
光电阴极520和传感器530彼此相距几毫米，并且将电势差施加到光电阴极520和传感器530，以在分隔它们的间隙中产生静电场。该静电场可以加速由光电阴极520朝向传感器530发射的电子。
传感器530对电子敏感。它通常是CMOS传感器，适于使其对电子敏感。
根据第一变型，对电子敏感的传感器的背面被照射。这可以使用具有薄化和钝化(背部变薄)衬底的CMOS传感器来实现。传感器可以包括钝化层，其在光电阴极侧形成外层。钝化层沉积在减薄的衬底上。衬底接收检测二极管，每个检测二极管与传感器的像素相关联。
根据第二变型，在前侧照射对电子敏感的传感器。这可以使用CMOS传感器来完成，其中对于该CMOS传感器，对正面进行处理，以去除覆盖二极管的保护层。因此，标准CMOS传感器的正面对电子敏感。处理装置540按照参考图2所述的方式进行操作，有用量表示由传感器530的全色像素检测到的光子的表面通量。
图5B示出了图5A的装置500的变型，其中，真空管550由接收基本滤光器矩阵的光纤束552封闭。
根据该变型，来自于待成像的场景的光子穿过光纤束552。光纤束552的第一端封闭真空管。光纤束552的第二端被设置成与待成像的场景相对。真空管不再具有输入窗551，所述窗被光纤束所替代，使得真空管可以远离待成像的场景。
矩阵510中的每个基本滤光器与光纤束552中的一个光纤相关联。特别地，每个基本滤光器直接地被固定到光纤的一端，有利地是被固定至与真空管相对的端部。在这种情况下，基本滤光器矩阵510位于真空管的外部，这简化了其安装。
作为一种变型，每个基本滤光器在真空管的相同端部处直接固定到光纤的一端。可以按照相同的方式布置参考图4描述的装置的变型。
图6示意性地示出了根据本发明的基本滤光器矩阵的第二实施例。图6中的基本滤光器矩阵与先前描述的矩阵的不同之处在于，图6中的基本滤光器矩阵包括不透射光谱中的可见部分并且允许近红外光通过的红外(IR)滤光器。红外滤光器允许近红外线波长通过，可能还有红外波长(波长大于700nm)通过。特别地，红外滤光器透射介于700nm与900nm之间，可能介于700nm与1100nm之间，甚至介于700nm与1700nm之间的光谱带。
图6中的滤光器矩阵与图3A中的矩阵不同之处在于：基本图案中的两个绿色(G)像素中的一个被红外(IR)像素代替。
图6中的矩阵的不同变型可以通过以相同的方式形成，例如，从图3B中的矩阵开始并且将基本图案中的两个品红色像素中的一个替代为红外像素。
根据其他变型，使用如上定义的基本图案(2)，定义X＝Y＝IR。
图7示意性地示出了当基本滤光器矩阵包括红外像素时由根据本发明的处理装置所执行的处理。
步骤780、步骤781和步骤782B分别对应于参考图2描述的步骤280、步骤281和步骤282B。
当传感器的区域处于弱照射条件时，处理装置对称为次级量的量进行测量，该次级量表示由该区域中的红外像素检测到的光子或电子平均表面通量(步骤783)。特别地，如果传感器是光敏的，则该平均表面通量是光子的平均表面通量，或者如果传感器对电子敏感，则该平均表面通量是平均表面通量。
处理装置然后将该次级量与红外阈值FIR th进行比较(步骤784)。
如果次级量小于红外阈值FIR th，则如在步骤282A的描述中参考图2所描述的那样建立区域的彩色图像(步骤782A)。
如果次级量大于红外阈值FIR th，则建立该区域的伪彩色图像，换句话说，在该图像中，给定颜色被分配给该区域中的红外像素。伪彩色图像可以通过对所考虑的区域的红外像素进行插值来构建。因此，伪彩色图像是具有不同于全色像素相关联的单色图像的颜色的单色图像。然后，该伪彩色图像被叠加到使用传感器的相同区域的全色像素所获得的单色图像上。
伪彩色图像的构造的步骤以及伪彩色图像与单色图像的叠加的步骤一起形成步骤782C。
因此，对于弱照射条件下的区域，所获得的结果将是如上所定义的单色图像或叠加图像。
总之，当区域处于弱照射条件时，对该区域中的红外像素是否具有大于预定红外阈值的强度进行测试，并且如果该区域中的红外像素具有大于预定红外阈值的强度，则将以伪色表示的红外像素叠加在该区域的单色图像上。该实施例对于激光检测应用是特别有利的。
根据第一变型，不针对整个区域计算单个次级量，而是针对区域中的每个红外像素单独计算次级量。只有其对应的次级量大于红外阈值的红外像素才被叠加在根据全色像素获得的单色图像上。因此，如果传感器区域在红外范围内具有高强度，则容易在所得到的图像中识别出该传感器区域。
根据另一变型，识别所述传感器区的子区域，通过这种方式，对红外光谱中的像素或电子的均匀平均表面通量进行检测，然后按照如上所描述的那样对每个子区域进行处理。换句话说，与红外阈值的比较是针对传感器的均匀子区域进行的。通过对所述子区中的红外像素进行插值，针对传感器的其次级量大于红外阈值的每个子区获得伪彩色图像。然后将这些伪彩色图像叠加在传感器的区域的单色图像上的相应位置上。基于通过对红外像素进行插值而产生的图像进行分割，以识别这些子区域。总之，当区域处于弱照射条件时，识别该区域的在红外光谱中具有均匀强度的子区域，并且对由此识别的每个子区域，确定该子区域中的平均红外强度是否大于预定红外阈值，并且如果该子区域中的平均红外强度大于预定红外阈值，则该子区域由该子区域中的基于该红外像素的伪彩色图像表示，所述子区域的伪彩色图像于是被表示为与该区域的、所述子区域的伪彩色图像所属的单色图像。
传感器的红外像素还可以用于改善最终彩色图像的信噪比。当传感器的区域处于强照射条件时，这是通过传感器的红外像素的插值来产生该区域的红外图像来完成。然后将如参照图2所详细描述的那样而获得的该区域的彩色图像减去该红外图像。减去红外图像可以提高信噪比。可以将每个原色图像减去加权的红外图像，以避免饱和问题。对于每个原色图像而言，归因于红外图像的加权系数可以相同或可以不同。由此获得已经去除了噪声的原色图像，并且将其组合以形成无噪声的彩色图像。因此，处理装置被配置成执行以下步骤：
计算所述有用量，以确定所述传感器的至少一个区域是处于弱照射条件还是强光条件；
当且仅当所述区域处于强照射条件时，根据该区域的与原色滤光器相关联的像素形成所述区域的彩色图像，并且将该彩色图像减去该区域的根据该区域的红外像素而获得的红外图像(例如，通过对所述红外像素进行插值)。
Claims (16)
1.一种图像采集装置(100；400；500)，包括，
光电阴极(110；410；510)，被配置成将入射光子通量转换成电子通量；
由被称为像素的元素的矩阵组成的传感器(130；430；530)；以及
处理装置(140；440；540)；
其特征在于，
所述装置(100；400；500)包括基本滤光器矩阵(120；420；520)，每个基本滤光器与所述传感器的至少一个像素相关联，所述矩阵位于所述光电阴极的上游，使得初始光子通量在到达所述光电阴极之前通过所述矩阵；
所述矩阵包括：原色滤光器(R，G，B；Ye，Ma，Cy)，所述原色滤光器不透射可见光谱中与所述原色互补的一部分；以及被称为全色滤光器(W)的、透射整个可见光谱的滤光器；以及
所述处理装置(140；440；540)被配置成：
计算被称为有用量的量用于确定传感器的至少一个区域是处于弱照射条件还是处于强照射条件，所述有用量表示所述传感器的被称为全色像素的一组像素上检测的光子或电子的平均表面通量，每个全色像素均与所述全色滤光器(W)相关联；
仅在所述区域处于强照射条件时才基于所述区域中与原色像素相关联的像素形成所述区域的彩色图像。
2.根据权利要求1所述的装置(400；500)，其特征在于，所述光电阴极(420；520)位于真空腔(450；550)内，以及所述基本滤光器的矩阵(420；520)位于所述真空腔的输入窗(451，551)上。
3.根据权利要求1所述的装置(500)，其特征在于，所述光电阴极(520)位于由光纤束(552)封闭的真空腔(550)内，并且所述基本滤光器矩阵(510)的每个基本滤光器被设置在所述光纤束(552)的光纤的一端上。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的装置(400)，其特征在于，所述传感器(430)是光敏传感器，并且所述处理装置(440)被配置成计算表示光子的平均表面通量的量，并且所述装置还包括：
倍增装置(461)，被配置成接收所述光电阴极所发射的电子通量，并且作为响应提供次级电子通量；以及
荧光屏(462)，被配置成接收次级电子通量并且作为响应提供光子通量，所述光子通量被称为有用光子通量，所述传感器(430)被设置成接收所述有用光子通量。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的装置(400)，其特征在于，所述传感器(530)是对电子敏感的传感器，其被配置成接收所述光电阴极所发射的电子通量，并且所述处理装置(540)被配置成计算表示电子的平均表面通量的量。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的装置(100；400；500)，其特征在于，所述全色滤光器代表75％的所述基本滤光器。
7.根据权利要求6所述的装置(100；400；500)，其特征在于，所述基本滤光器矩阵(110；410；510)通过对下列图案进行周期性二维重复来生成：
其中，R、G、B分别表示红色、绿色和蓝色的原色滤光器，W表示全色滤光器，除了R、G、B排列之外的被定义为所述图案。
8.根据权利要求6所述的装置(100；400；500)，其特征在于，所述基本滤光器矩阵(110；410；510)通过对下列图案进行周期性二维重复来生成：
其中，Ye、Ma、Cy分别表示黄色、品红色和青色的原色滤光器，W表示全色滤光器，除了Ye，Ma，Cy排列之外的被定义为所述图案。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的图像采集装置(100；400；500)，其特征在于，所述处理装置被配置成：
如果所述有用量小于第一阈值，则确定所述区域有弱照射，以及
如果所述有用量大于第二阈值，则确定所述区域有强照射，所述第二阈值高于所述第一阈值。
10.根据权利要求9所述的装置(100；400；500)，其特征在于，如果所述有用量介于所述第一阈值与所述第二阈值之间，则所述处理装置被配置成将所述区域的单色图像与彩色图像组合，所述区域的单色图像是从所述区域的全色像素获得的。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的图像采集装置(100；400；500)，其特征在于，所述处理装置被配置成：
根据所述传感器的一组完整的全色像素形成单色图像；
将所述单色图像分割成均匀区域；以及
针对所述传感器的与均匀区域相关联的每个区域，独立地计算相应的有用量，以确定所述区域是处于弱照射条件还是强照射条件。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的图像采集装置(100；400；500)，其特征在于，所述基本滤光器的矩阵(110；410；510)还包括红外(IR)滤光器，所述红外滤光器不透射光谱中的可见光部分，其中，每个红外滤光器与被称为红外像素的至少一个传感器像素相关联。
13.根据权利要求12所述的图像采集装置(100；400；500)，其特征在于，当区域处于弱照射条件时，所述处理装置被配置成：
将预定红外阈值(FIR th)与被称为次级量的量进行比较，所述次级量表示所述区域的红外像素所检测到的光子或电子的平面表面通量；
当所述次级量高于所述预定红外阈值时，将从所述区域的全色像素获得的单色图像与从所述区域中的红外像素获得的伪彩色图像进行叠加。
14.根据权利要求12所述的图像采集装置(100；400；500)，其特征在于，当区域处于弱照射条件时，所述处理装置被配置成：
从所述区域中的红外像素开始，识别所述区域的子区域，所述子区域检测红外光谱中均匀的光子或电子的平均表面通量；
针对由此所识别的每个子区域，将预定红外阈值(FIR th)与被称为次级量的量进行比较，所述次级量表示所述子区域的红外像素所检测的光子或电子的平均表面通量；
当所述次级量高于所述预定红外阈值时，将从所述子区的全色像素获得的单色图像与从所述子区中的红外像素获得的伪彩色图像叠加。
15.根据前述权利要求中任一项所述的图像采集装置(100；400；500)，其特征在于，所述基本滤光器矩阵(120；420；520)由光学投影系统所投影的图案组成。
16.一种在装置(100；400；500)中实现的图像形成方法，所述装置包括光电阴极(120；420；520)和传感器(130；430；530)，所述光电阴极被配置成将入射光子通量转换成电子通量，所述方法的特征在于包括以下步骤：
对光子的初始通量进行过滤以获取光子的入射通量，所述过滤步骤利用基本滤光器矩阵(110；410；510)，所述基本滤光器矩阵(110；410；510)包括：原色滤光器(R，G，B；Ye，Ma，Cy)，所述原色滤光器不透射可见光谱中与所述原色互补的一部分；以及被称为全色滤光器(W)的、透射整个可见光谱的滤光器；
计算被称为有用量的量用于确定传感器的至少一个区域是处于弱照射条件还是处于强照射条件，所述有用量表示所述传感器的被称为全色像素的一组像素上检测的光子或电子的平均表面通量，每个全色像素均与全色滤光器(W)相关联；
仅在所述区域处于强照射条件时才基于所述区域中与原色像素(R，G，B；Ye，Ma，Cy)相关联的像素形成所述区域的彩色图像。
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