CN107007260A - 一种摄像装置以及便携式多光谱摄像和显示设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种摄像装置以及便携式多光谱摄像和显示设备。该便携式多光谱摄像和显示设备集成摄像装置与显示装置于一体，所述摄像装置包括：第一图像传感器，用于响应第一光谱波段的光辐射并采集其图像信息；第二图像传感器，设置于所述第一图像传感器的一侧，用于响应第二光谱波段的光辐射并采集其图像信息；透镜系统将入射光中的第一波段的光辐射图像聚焦于所述第一图像传感器上、将第二波段的光辐射图像聚焦于所述第二图像传感器上。透镜系统和两个图像传感器共享同一个光轴。通过对两个波段图像的数字处理和对比，本发明能够准确地探测和显示出皮下血管的准确位置和形状，和在操作时能避开血管或者对血管做特别处理。

Description

一种摄像装置以及便携式多光谱摄像和显示设备

技术领域

本发明涉及多重光谱的图像采集设备领域，尤其涉及一种应用在医疗图像诊断和治疗中对红外线和可见光摄像的摄像装置以及具有该摄像装置、并与可见光显示一体化的摄像设备。

背景技术

人体内部的结构和组织是人眼无法直接看到的。仅仅依靠人体的外部轮廓和人体解剖知识是难以精确地找到和定位皮下的内部结构和组织的。

人体血管隐藏在表皮下面，往往被皮下脂肪，甚至骨骼所遮挡，在可见光的环境下从皮下组织反射回来的可见光图像信号极其微弱，并夹杂着散射光噪声和各种幻影，甚至完全不为人眼可见。虽然在穿刺之前，医生往往会要求患者攥紧拳头或用拍打穿刺部位皮肤的方式让血管更加可见，但是根据患者的年龄，皮下脂肪的厚薄等因素，皮下血管的可视性依然非常不理想。根据隐约可见的血管图像和医学知识，对血管所做的穿刺往往错位，导致病患者的痛苦，延误治疗时机，甚至造成注射事故。除了直接对血管所做的抽血和注射以外，针灸和其他医疗手术等操作，都需要准确地知道血管的位置，以便在操作时能避开血管或者对血管做特别处理。目前已经存在的静脉血管图像增强仪是将摄取的静脉血管的近红外图像再用可见光直接投影到人体皮肤表面。为了减少对位误差必须使用复杂的光学系统尽量使得红外摄像和可见光投影均在同一个光轴上，从而导致光学系统和机械伺服机构复杂，体积和重量都过于庞大，并且耗电，不适宜移动医疗诊断和更广泛的市场应用。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的在于提供一种摄像装置以及集成多光谱图像的摄像装置和实时显示装置的便携式多光谱摄像和显示设备。该多光谱摄像和显示设备从而能够克服现有技术中的困难，在室外，狭小空间和没有城市供电的场合也能够准确地探测和显示出血管的位置，以便在操作时能避开血管或者对血管做特别处理。

根据本发明的一个方面，提供一种摄像装置，所述摄像装置包括：第一图像传感器，用于响应第一类光谱或者波长范围的光辐射并采集其图像信息；第二图像传感器，和所述第一图像传感器相互重叠或者相互有一间隔，用于响应第二类光谱或者波长范围的光辐射并采集其图像信息；透镜系统，设置于所述第一图像传感器的入光侧，所述透镜系统将其入光侧的入射光辐射中的第一类光谱或者波长范围的光辐射图像聚焦于所述第一图像传感器上、将入射光中的第二类光谱或者波长范围的光辐射图像聚焦于所述第二图像传感器上。根据上述各个装置或零部件的结构和相对位置，所述透镜系统、第一图像传感器以及第二图像传感器的光轴能够自然地以很高的重合精度重合在一起。

可选地，所述摄像装置将采集的第一类光谱或波长范围的图像与第二类光谱或波长范围的图像经过处理后输出到该设备自带的平板显示器，以观察者可见的光谱或波长范围的图像显示出来。

可选地，所述摄像装置还包括滤光片，所述滤光片设置于所述第一图像传感器和所述第二图像传感器之间，用于阻挡所述第一图像传感器出光侧的尚未吸收完毕的第一类光谱或者波长范围的光辐射。

所述第一图像传感器、滤光片以及第二图像传感器之间可以相互间隔设置，也可以用光学胶将三者紧密贴合在一起。为了提高光学透过率，使用的光学胶的光学折射率选择尽量靠近两个贴合界面的光学折射率的平均值，或者差值小于或等于0.25。

可选地，所述摄像装置还包括偏光片，所述偏光片设置于所述第一图像传感器和所述第二图像传感器之间，或设置于第一图像传感器的光入射面，用于过滤散射的红外线。

可选地，所述第一图像传感器使用了包括做在结晶硅基板上的CMOS或CCD类型的图像传感元件，所述结晶硅基板经过减薄工艺减少基板的厚度以便通过近红外线。

可选地，所述第一图像传感器使用了包括对可见光敏感的非晶硅(amorphoussilicon)薄膜或者非晶硒(amorphous selenium)薄膜图像传感元件，所述第二图像传感器使用了包括结晶硅的CMOS或CCD类型的红外图像传感器；

可选地，上述非晶硅薄膜或者非晶硒薄膜可见光图像传感元件形成在玻璃或者结晶硅或者其他可以透过近红外线的基板上；而所述结晶硅的CMOS或CCD红外图像传感元件形成在结晶硅基板上。

可选地，上述非晶硅薄膜或者非晶硒薄膜可见光图像传感元件直接形成在所述结晶硅CMOS或CCD红外图像传感器上，且位于所述CMOS或CCD红外图像传感器的入光侧。

可选地，上述摄像装置还包括一第一绝缘层，所述第一绝缘层设置于所述非晶硅薄膜器件与所述CMOS或CCD红外图像传感器之间，将第一图像传感器和第二图像传感器做完全的电绝缘。

可选地，上述第一图像传感器中的非晶硅薄膜或者非晶硒薄膜的图像信号通过非晶硅或者多晶硅的薄膜晶体管(TFT)开关阵列的选择和扫描，输出到周边电路。

可选地，上述第一图像传感器中的非晶硅薄膜或者非晶硒薄膜的图像信号通过制作在结晶硅基板上的CMOS或者CCD电路被读出和输出到外部电路。所述CMOS或者CCD电路和第二图像传感器共享同一个结晶硅基板。

所述非晶硅薄膜器件包括多个可见光图像探测像素单元，每个所述可见光图像探测像素单元包括多个可见光图像探测子像素；所述CMOS红外图像传感器或CCD红外图像传感器包括多个红外线图像探测像素单元。

每个所述可见光图像探测子像素包括一光电变换元件比如光电二极管以及一与所述光电二极管电连接的非晶硅或者多晶硅薄膜晶体管开关。

所述光电二极管包括：相对设置的分别作为阴极和阳极的第一透明导电薄膜和第二透明导电薄膜；以及p-i-n结构的光电二极管：包括p型重掺杂层，非掺杂半导体层和n型重掺杂层，设置于所述第一透明导电薄膜和所述第二透明导电薄膜之间，且与所述第一透明导电薄膜和所述第二透明导电薄膜电连接，由所述第一透明导电薄膜和所述第二透明导电薄膜对其施加一反向偏置电压。根据含氢量和材料缺陷密度，所述非掺杂层的有效禁带宽度为1.6eV～2.1eV。根据可见光吸收系数，理想的厚度为1.5μm～2.2μm。根据需要的动态范围和暗电流的上升晨读，所述反向偏置电压可以选择在-5V到-10V之间。所述非晶硅薄膜晶体管开关包括一漏极和源极，所述源极与所述第二透明导电薄膜电连接。

每个所述红外线图像探测像素单元包括：基板；光电变换电荷储蓄层，设置于所述结晶硅基板靠近所述非晶硅薄膜器件的一侧；电荷传送层，设置于所述结晶硅基板靠近所述非晶硅薄膜器件的一侧；第二绝缘层，设置于所述结晶硅基板靠近所述非晶硅薄膜器件的一侧，且覆盖所述光电变换电荷储蓄层、所述电荷传送层以及所述结晶硅基板；传输栅极层，设置于所述第二绝缘层远离所述结晶硅基板的一侧，位于所述第一绝缘层和所述第二绝缘层之间。

第一图像传感器的每个像素包括两个以上的针对特定光谱或者波段的光线响应的子像素，特别是包括有RGB三个子像素在内的情况。也可以不区分颜色，每个子像素都对同一个光谱或者波段的光辐射响应。子像素对于特定光谱或者波段的光线响应是通过覆盖在子像素上的彩色滤光片来达成的。作为一种特例，每个子像素上的滤光片特性都做成一样，或者去除所有彩色滤光片，这样第一图像传感器就只能输出灰度图像信号。

根据本发明的另一个方面，根据需要可以选择让第二图像传感器的像素大小等于第一图像传感器的子像素大小，也可以选择让第二图像传感器的每个像素大小等于第一图像传感器的每个包含复数个子像素的像素大小。甚至可以选择让第二图像传感器的像素大小等于复数个第一图像传感器像素的大小。以上这些安排，是为了达到消除第一和第二图像传感器阵列之间的干涉条纹也就是俗称的莫尔条纹。这些安排，也可以达到对第一和第二图像传感器的图像分辨率和信号强度的相对调整。

根据本发明的另一个方面，提供一种便携式多光谱摄像和显示设备，所述设备包括：一本体；一如上所述的摄像装置，所述本体的一侧；多个光源，所述光源环绕所述摄像装置；以及一显示屏，设置于所述本体的另一侧，所述显示屏显示根据所述摄像装置采集到的红外线图案信息和可见光图案信息。

可选地，所述便携式多光谱摄像和显示设备还包括：一吸光肩台，所述吸光肩台设置于所述本体的一侧，环绕所述摄像装置、位于所述摄像装置与所述光源之间，所述吸光肩台隔绝所述光源和所述摄像装置之间的直线光路。

可选地，所述便携式多光谱摄像和显示设备还包括至少一手柄，所述手柄连接所述本体，所述手柄的内部设有容置空间，所述容置空间设有电源和控制电路，所述控制电路分别连接所述电源、摄像装置、光源以及显示屏。

有鉴于此，本发明的便携式多光谱摄像和显示设备将人体内部的结构或者组织的有关信息，以两维，三维甚至动态图像直接和实时地显示出来，大大提高了皮下血管的可视性，使得人眼可以直接和实时观测，能够准确地知道血管的位置，便于操作时能避开血管或者对血管做特别处理，有助于对人体的内部结构和组织进行诊断和治疗。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明的一种摄像装置的结构示意图；

图2为本发明的另一种摄像装置的结构示意图；

图3为本发明的另一种摄像装置的结构示意图；

图4为本发明的另一种摄像装置的第一图像传感器上的可见光图像探测像素单元和红外线图像探测像素单元的对位图；

图5为本发明的另一种摄像装置的第一图像传感器和第二图像传感器的结构示意图；

图6为本发明的另一种摄像装置的第一图像传感器上的可见光图像探测像素单元和红外线图像探测像素单元的对位图；

图7为本发明的一种便携式多光谱摄像和显示设备的结构示意图；

图8为图7中的便携式多光谱摄像和显示设备的侧视图；

图9为本发明的便携式多光谱摄像和显示设备在显示红外图像和X光图像的画面。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本发明将全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。在图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略对它们的重复描述。

所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。在下面的描述中，提供许多具体实施细节从而给出对本发明的基本概念的充分理解。然而，本领域技术人员应意识到，没有特定细节中的一个或更多，或者采用其它的方法、组元、材料等，也可以实践本发明的基本概念和技术方案。在某些情况下，不详细示出或描述公知结构、材料或者操作以避免模糊本发明。

下面结合附图和实施例对本发明的技术内容进行进一步地说明。

请参见图1，其示出了本发明的一种摄像装置的结构示意图。如图1所示，在本发明的实施例中，该摄像装置包括：第一图像传感器11、第二图像传感器12以及透镜系统13。

第一图像传感器11包括像素阵列、信号处理单元和扫描电路，其用于响应第一类波长范围的光辐射并采集其图像信息。在本发明实施例中，第一类波长范围的光辐射是可见光。即，第一图像传感器11为一可见光图像传感器。第一图像传感器11响应从400nm到760nm范围内的人眼可见的光线波长。对该波长范围内，响应特性比较好的半导体材料之一是硅。

第一图像传感器11包括光电变换元件，该光电变换元件可以为氢化非晶硅或非晶硒或氧化物半导体等半导体薄膜器件。该半导体薄膜器件由薄膜晶体管阵列所驱动，且半导体薄膜器件和薄膜晶体管阵列都形成在一个可以透过红外线的基板上。例如，该光电变换元件可以是结晶硅基板上和CMOS器件一并制作的光电二极管或者是CCD器件中的电子势阱。亦或是制备在玻璃基板上的氢化非晶硅的PIN结构的光电二极管薄膜。第一图像传感器11的像素数目可以是HVGA(320X240)等较低解像度到FHD(1028X780)以及更高解像度中的任一种。第一图像传感器11的每个像素上均设置有各自的彩色滤光片，从而可以获得彩色图像。

在本发明的实施例中，第一图像传感器11制作在一结晶硅基板上。需要说明的是，在第一图像传感器形成后，该硅晶片的基板通过晶片减薄工艺形成足够薄但是不影响可见光图像的光电变换，存储和读出的基板底部。其作用是将无用的结晶硅基板尽可能进行减薄，以此尽量减少红外线在第一图像传感器1(可见光图像传感器)的结晶硅基板中的吸收损失，可选地，其厚度小于10微米。

第二图像传感器12包括像素阵列、信号处理单元和扫描电路，其设置于第一图像传感器11的出光侧，用于响应第二类波长范围的光辐射并采集其图像信息。在本发明实施例中，第二类波长范围的光辐射是红外线。即，第二图像传感器12可以为一制作于结晶硅基板上的CMOS或CCD红外线图像传感器。第二图像传感器12可以针对需要响应的红外线辐射，选择合适的半导体探测像素阵列。对于从760nm到1100nm的近红外线辐射，可以使用形成于一结晶硅基板上的光电二极管。其好处是可以在同一片结晶硅基板上形成相关的电荷存储、放大，扫描和信号和噪声处理电路。而对于中波长的红外线(MWIR)可以使用响应波长直到3um的硫化铅(PbS)或者响应波长直到5um的硒化铅(PbSe)等材料。对于更长波长的红外辐射(比如热成像中的10um以上的辐射)，可以使用热辐射计(Bolometer)的方式。在这些场合，电荷的存储，放大，扫描，信号与噪声的处理电路就必须依赖于单独制作的硅集成电路或者将能量变换元件和电路集成在硅片上的MEMS器件。

如图1所示，透镜系统13设置于所述第一图像传感器的入光侧，所述透镜系统利用可见光和红外线在介质中的折射率的差异，将其入光侧的入射光中的可见光图像31聚焦于所述第一图像传感器11的光电变换元件上、将入射光中的红外线图像32聚焦于所述第二图像传感器12的光电变换元件上。在图1所示的实施例中，透镜系统13是一个红外线和可见光兼用的透镜系统。需要说明的是，虽然图1中仅仅示出了一个透镜，但这不代表本发明只限于使用单个透镜，该透镜系统13可以是具有复数个透镜的光学系统。

在本发明的可选实施例中，透镜系统13、第一图像传感器11以及第二图像传感器12的光轴重合。即如图1所示，透镜系统13、第一图像传感器11以及第二图像传感器12的光轴都在同一个光轴30之上。从而整个摄像装置的光学系统可以做得比较简单、体积较小，并且，可见光图像31和红外线图像32本质上完全是点对点准确地对位在一起，避免了当三者不为同光路时造成的光学上和后期图像图像处理上的误差。

进一步地，在本发明的可选实施例中，该摄像装置还包括滤光片14。滤光片14设置于第一图像传感器11和第二图像传感器12之间，用于阻挡第一图像传感器11出光侧的尚未吸收完毕的第一类波长范围的光辐射(即尚未吸收完毕的可见光)，从而，确保进入第二图像传感器12的光辐射都是不可见的红外线辐射。在图1所示的实施例中，第一图像传感器11、滤光片14以及第二图像传感器12之间相互间隔设置。需要说明的是，在本发明的另一些实施例中，若如果第一图像传感器11能够将绝大部分的可见光吸收，则在这些实施例中也可以省略该滤光片14，在此不予赘述。

进一步地，在本发明的另一些可选实施例中，该摄像装置可以还包括偏光片。所述偏光片设置于第一图像传感器11和第二图像传感器12之间，或所述偏光片设置于第一图像传感器11的光入射面，用于过滤第一图像传感器11出光侧的散射的红外线，以便使得第二图像传感器12可以获得更加清晰的红外线图像。

图2为本发明的摄像装置的另外一种实施方式，请参见图2，其示出了本发明的另一种摄像装置的结构示意图。与上述图1所示的摄像装置不同的是，在此实施例中，所述第一图像传感器与所述滤光片之间通过第一光学胶相贴合，所述第二图像传感器与所述滤光片之间通过第二光学胶相贴合。在图2所示实施例中，第一光学胶151设置于第一图像传感器11与滤光片14之间、对二者进行贴合；第二光学胶152设置于第二图像传感器12与滤光片14之间、对二者进行贴合。其中，为了使进入第二图像传感器12的红外线辐射最大，因此，对于第一光学胶151和第二光学胶152的厚度及其对红外线的折射率需要有一个合理的选择范围。

进一步地，为了减少光线在第一光学胶151和第二光学胶152中的多重反射和吸收。在本发明的可选实施例中，第一光学胶151的红外线的折射率应尽量和第一图像传感器11靠近第一光学胶151一侧的折射率接近。可选地，第一光学胶151的红外线折射率与其所直接接触的第一图像传感器11出光面和滤光片14的折射率的平均值的差值小于等于0.25。例如，若第一图像传感器11是制作在玻璃基板上的氢化非晶硅薄膜时，则第一光学胶151的折射率应该和该玻璃基板出光面和滤光片14的折射率的平均值接近，比如差值小于等于0.25。类似地，第二光学胶152的红外线的折射率应尽量和第二图像传感器12靠近第二光学胶152一侧的折射率接近。可选地，第二光学胶152的红外线折射率与其直接接触的滤光片和第二图像传感器12入光面的折射率的平均值的差值小于等于0.25，该实施例可以实现与上述实施例类似的效果，在此不予赘述。

图3至图5为本发明的摄像装置的另外一种实施方式，请一并参见图3至图5，其分别示出了本发明的另一种摄像装置的结构示意图、第一图像传感器上的可见光图像探测像素单元和红外线图像探测像素单元的对位图以及第一图像传感器和第二图像传感器的结构示意图。其中，图3可以理解为上述图1所示实施例的一种简化实施例。与上述图1所示的摄像装置不同的是，作为第一图像传感器11的光电变换元件的半导体薄膜器件由薄膜晶体管阵列所驱动并直接形成在一绝缘膜(例如图3中的第一绝缘层16)上，该绝缘膜直接形成在第二图像传感器上。在此实施例中，第一图像传感器11为非晶硅薄膜器件。第二图像传感器12为CMOS红外图像传感器或CCD红外图像传感器。其中，非晶硅薄膜器件形成所述CMOS红外图像传感器或CCD红外图像传感器上，且位于所述CMOS红外图像传感器或CCD红外图像传感器的入光侧。换言之，在此实施例中是将第一图像传感器11集成于第二图像传感器12上。即将氢化非晶硅薄膜(a-SiH)直接成膜在硅晶片的CMOS红外图像传感器或者CCD红外图像传感器的上面。

具体来说，第二图像传感器的像素阵列的每个子像素都与第一图像传感器的像素阵列的N个数目的子像素相对应并在空间上重合交叠，N大于或等于1。如图4所示，所述非晶硅薄膜器件包括多个可见光图像探测像素单元18，每个可见光图像探测像素单元包括多个可见光图像探测子像素181。所述CMOS红外图像传感器或CCD红外图像传感器包括多个红外线图像探测像素单元19。在图4所示的实施例中，每个可见光图像探测像素单元18由三个可见光图像探测子像素181组成，三个可见光图像探测子像素181分别为红色子像素、绿色子像素以及蓝色子像素。其中，每个红外线图像探测像素单元19与一个可见光图像探测子像素181相对应。需要说明的是，此处红外线图像探测像素单元121与可见光图像探测子像素112相对应是指二者沿光的入射方向上的两个边界齐平(如图4所示)，以此避免在红外图像上出现两个像素阵列之间的干涉图案(也就是莫尔条纹)。

在图5所示的实施例中，每个可见光图像探测子像素181包括一光电二极管以及一与该光电二极管电连接的非晶硅薄膜晶体管开关。其中，光电二极管仅仅作为可见光的光电变换器件，可以是a-SiH的P-I-N光电二极管。

具体来说，该光电二极管主要包括：相对设置的第一透明导电薄膜111、第二透明导电薄膜112，p型重掺杂层和n型重掺杂层(图中没有绘出)，以及非掺杂层113。这三层薄膜的叠加起来简单称为PIN光电二极管。如图5所示，非掺杂层113设置于第一透明导电薄膜111和第二透明导电薄膜112之间，且与第一透明导电薄膜111和第二透明导电薄膜112电连接。第一透明导电薄膜111和第二透明导电薄膜112对非掺杂层113施加一反向偏置电压。在本发明的可选实施例中，非掺杂层113的有效禁带宽度为1.6eV～2.1eV，厚度为1.0μm～2.2μm。反向偏置电压为-5V～-10V。进而，该非掺杂层113可以将绝大多数的可见光变换成电子并存储在该光电二极管的电容上。并且由于该禁带宽度范围内，其对于波长大于760nm的红外光线的吸收可以忽略不计。每当非晶硅薄膜晶体管TFT开关打开时，电荷就被与非晶硅薄膜晶体管TFT开关的数据线相连接的外部电荷放大器所积分和放大。

非晶硅薄膜晶体管开关至少包括一源极。源极与PIN光电二极管的第二透明导电薄膜电连接。图5中以一底栅结构的非晶硅薄膜晶体管TFT开关为例进行说明，但其他结构的薄膜开关也可以适用。具体来说，如图5所示，非晶硅薄膜晶体管开关由薄膜115、116、118和119组成。薄膜116为导电金属层，其作为非晶硅薄膜晶体管开关的源极和漏极。薄膜115为非晶硅的沟道半导体层。薄膜119是非晶硅薄膜晶体管开关的控制栅极，可以是金属或者多晶硅薄膜。薄膜118是非晶硅薄膜晶体管开关的栅极绝缘层。

每个红外线图像探测像素单元19包括：结晶硅基板120、光电变换电荷储蓄层121、电荷传送层122、第二绝缘层123以及传输栅极层124。光电变换电荷储蓄层121设置于结晶硅基板120靠近非晶硅薄膜器件的一侧。电荷传送层122设置于结晶硅基板120靠近非晶硅薄膜器件的一侧。第二绝缘层123设置于结晶硅基板120靠近非晶硅薄膜器件的一侧，且覆盖光电变换电荷储蓄层121、电荷传送层122以及结晶硅基板120。传输栅极层124设置于第二绝缘层123远离结晶硅基板120的一侧，位于第一绝缘层16和第二绝缘层123之间。其中，光电变换电荷储蓄层121、电荷传送层122以及传输栅极层可以通过半导体集成电路和光电二极管的工艺。

进一步地，当氢化非晶硅的非掺杂层113的厚度大于1.5um的时候入射的可见光31在非掺杂层113中几乎被完全吸收，然而禁带宽度大于1.6eV的氢化非晶硅对于760nm以上的红外线32几乎不产生吸收。这样入射的红外线32就穿过非掺杂层113到达了第二图像传感器的光电变换和电荷储蓄层121。在光电变换电荷储蓄层121中被转换成的电子-空穴对，被电场所分离后存储起来。当开启电压施加在非晶硅薄膜晶体管开关的控制栅极(薄膜119)上时，存储在光电二极管中的电荷就被传送到外部的前置放大器，比如电荷积分放大器做进一步的信号处理。同样道理，传输栅极层124将FET的沟道打开后将存储在光电变换电荷储蓄层121的势阱中的电子传送到外部电路做进一步的信号处理。也就是说，在此实施例中，通过将第一图像传感器集成于第二图像传感器上，充分利用了集成电路的优势，从而使该摄像装置可以获得较高图像解析度和信噪比的可见光图像。图5所示的叠层型红外和可见光摄像芯片可以同时摄取红外线和可见光的图像信号，不再需要额外的红外线截断滤波片或者可见光截断的滤光片。可见光摄像通常需要RGB彩膜以便分离彩色信号。RGB彩膜不仅可以以透过一定波长范围的可见光线，其对于大于760nm的红外光也可以做到基本透明，以此保证入射的红外线能够到达位于芯片底部的红外图像传感器。

进一步地，在图3所示的实施例中，所述摄像装置还包括一第一绝缘层16。第一绝缘层16设置于第一图像传感器11(非晶硅薄膜器件)与第二图像传感器12(CMOS红外图像传感器或CCD红外图像传感器)之间，对第一图像传感器11和第二图像传感器12进行电绝缘，从而减少两者之间的电容性耦合产生的寄生电容，以此避免该寄生电容造成的信号串扰以及基于电容的开关噪声(KTC噪声)的增加。需要说明的是，在本发明的实施例中，该第一绝缘层16的厚度和介电常数既要考虑尽量减小上述寄生电容，也要考虑尽量减少红外线在薄膜之间的多次反射。光学折射率(和介电常数相关)和绝缘膜的化学成分以及成膜条件密切相关，在此不赘述。

进一步地，在本发明的另一些实施中，半导体薄膜器件也可以直接形成在第二图像传感器上，其中，控制该半导体薄膜器件的图像信号的选择开关、信号放大电路和噪声降低电路，与第二图像传感器均制作在同一个结晶硅基板上。该实施例也可以实现类似的效果，在此不予赘述。

在上述实施例中，通过将第一图像传感器直接集成于第二图像传感器上，充分利用了集成电路的优势，从而使该摄像装置可以获得较高图像解析度和信噪比的可见光图像。

此外，在图3至图5所示的实施例中，由于红外线图像探测像素单元121是单色的。进而，在此实施例中，第二图像传感器12的某个方向上的空间分辨率是第一图像传感器11的三倍。由于红外线图像的信号比较微弱，为了加强红外线图像的信号，因此，两个图像传感器的像素和像素的对位，也可以是若干个可见光的子像素对应一个红外光的子像素，比如RGB三个子像素对应于一个红外子像素60。请参见图6，其示出了本发明的另一种摄像装置的第一图像传感器上的可见光图像探测像素单元和红外线图像探测像素单元的对位图。与上述图4所示的摄像装置不同的是，每个红外线图像探测像素单元与一个可见光图像探测像素单元相对应。如图6所示，红外线图像探测像素单元19与可见光图像探测像素单元18相对应，进而，可以在加强红外线图像的信号的同时，避免在红外图像上出现两个像素阵列之间的干涉图案。

需要说明的是，从防止图像之间的干涉条纹的角度来看，如果可见光图像传感器的像素数目是红外图像传感器像素数目的整数倍，每个红外像素和可见光像素的对位关系都完全等同。就可以避免在红外图像上出现两个像素阵列之间的干涉图案，在此不予赘述。

图7为本发明的一种便携式多光谱摄像和显示设备的结构示意图。图8为图7中的便携式多光谱摄像和显示设备的侧视图。如图7和8所示，根据本发明的一个方面，提供一种便携式多光谱摄像和显示设备，包括：一摄像装置1、至少包括非可见光的多个光源2以及一平板显示屏4。摄像装置1为上述图1至图6所示的摄像装置。多个光源2环绕摄像装置1，光源2中包括至少一红外光源。参照图7所示，多个光源2以摄像装置1为圆心中心对称地放置了8个。在这8个光源2中可以是白色可见光源(例如：LED光源)。平板显示屏4可以是液晶显示器或者自发光的OLED显示器，不以此为限。平板显示屏4显示根据摄像装置1采集到并处理过的或者融合过的第一类波长范围(如上所述的可见光)的光辐射的图像信息和第二类波长范围(如上所述的红外线)的光辐射图像信息。

本发明主要利用了血管中血红蛋白对波长从760nm到1000nm的近红外光的吸收率与周围其他人体组织不同的原理，首先将摄取血管的近红外图像，然后进行图像处理后与可见光的图像共同显示，将血管网络等的精确位置(红外线图案信息)叠加到操作者肉眼可以观察到的图像(可见光图案信息)之上，实现了一种视觉上的叠加效果。在其他应用例中，也可以将半透明的的图像和相关的文字信息叠加到血管网络红外线影像之上，实现了另一种视觉上的叠加的增强现实的效果，但不以此为限。通过使用本发明，大大提高了皮下血管或体内脏器的可视性，在医用上可以在常规患者身体外部的视频图片之上精确地看到患者体内的血管网络。

本发明的便携式多光谱摄像和显示设备还包括一本体5、一手柄7以及吸光肩台6，但不以此为限。本体5包括第一面以及与第一面相对应的第二面。第一面设置摄像装置1以及光源2，第二面设置平板显示屏4。通过将摄像装置1以及平板显示屏4尽量远离地分别设置在摄像装置本体5相背的两面，来减少平板显示屏4的光线对本体3采集视频的干扰。手柄7连接本体5，且手柄7表面附有控制面板。手柄7的内部还设有容置空间，该容置空间内设有电源和控制电路。控制电路分别连接上述的电源、控制面板，摄像装置、光源以及平板显示屏。

吸光肩台6位于摄像装置1与光源2之间，吸光肩台6隔绝光源2和摄像装置1之间的直线光路。吸光肩台6的外表面涂有吸光材料。吸光肩台6是一个表面有可吸收杂散光线涂层的台阶或是围墙结构，保证从周边的灯源2的光线无法直接进入摄像器件，以便提高视频画面的对比度、亮度，改善图片质量。

图9为便携式多光谱摄像和显示设备在显示红外图像和X光图像的画面。该红外图像可以是实时拍摄的，也可以是历史数据。X射线的影像则是该被摄物体的历史数据。虽然没有将红外图像直接投影到人体皮肤表面，但是在医疗操作过程中，注射针，针灸针，医师的手指，标尺和探针都可以被摄像装置1同时拍摄下来并显示在该便携式仪器背面的平板显示屏上，从而可以方便，快捷而且比较准确地找到血管和骨骼等组织的位置，并实施扎针，注射，点滴，针灸和按摩等医疗救治的操作。在其他应用中，比如检测消费电子产品和汽车表面油漆的均匀性和事故痕迹，墙面和绘画作品的涂料分析过程中，操作人员则可以直接用笔在被摄物体表面绘出红外和X光影像的轮廓。然后对表面绘有红外，紫外或者X光影像的物体实施修复等操作。该仪器的握把既可以直接手持，也可以固定在一个机台上。这种检测可以是对单个人体部位或者零部件实施，固定在一个机台上后也可以对生产线上的产品做无伤检验。

综上，本发明的便携式多光谱摄像和显示设备将人体内部的结构或者组织的有关信息，以两维，三维甚至动态图像直接显示出来，大大提高了皮下血管或体内脏器的可视性，使得人眼可以直接和实时观测，能够准确地知道血管的位置，便于操作时能避开血管或者对血管做特别处理，有助于对人体的内部结构和组织进行诊断和治疗。

以上对本发明的基本概念和具体的若干实施例进行了描述。这里需要声明的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。本发明也不局限于本发明中为了便于阐明基本概念所描述的医学影像应用，当然也包括其他领域的应用比如工业产品和环境检测，多层印刷和多层喷漆的质量检测，通过皮下血管地图判定人和动物的身份，虚拟空间和增强现实的游戏以及商业行为等。

Claims (14)

1.一种摄像装置，其特征在于，所述摄像装置包括：

第一图像传感器，包括像素阵列、信号处理单元和扫描电路，用于响应第一类波长范围的光辐射并采集所述第一类波长范围的光辐射的其图像信息；

第二图像传感器，包括像素阵列、信号处理单元和扫描电路，设置于所述第一图像传感器的出光侧，用于响应第二类波长范围的光辐射并采集所述第二类波长范围的额光辐射的图像信息；

一透镜系统，设置于所述第一图像传感器的入光侧，所述透镜系统将其入光侧的入射光中的所述第一类波长范围的光辐射图像聚焦于所述第一图像传感器上、将入射光中的所述第二类波长范围的光辐射图像聚焦于所述第二图像传感器上，且所述透镜系统、第一图像传感器以及第二图像传感器的光轴重合。

2.如权利要求1所述的摄像装置，其特征在于，所述摄像装置还包括滤光片，所述滤光片设置于所述第一图像传感器和所述第二图像传感器之间，用于阻挡所述第一图像传感器出光侧的第一类波长范围的光辐射。

3.如权利要求2所述的摄像装置，其特征在于，所述第一图像传感器与所述滤光片之间通过第一光学胶相贴合，所述第二图像传感器与所述滤光片之间通过第二光学胶相贴合。

4.如权利要求3所述的摄像装置，其特征在于，所述第一光学胶的红外线折射率与其所直接接触的所述第一图像传感器的出光面和所述滤光片的折射率的平均值的差值小于等于0.25。

5.如权利要求3所述的摄像装置，其特征在于，所述第二光学胶的红外线折射率与其直接接触的所述滤光片和所述第二图像传感器的入光面的折射率的平均值的差值小于等于0.25。

6.如权利要求1所述的摄像装置，其特征在于，所述摄像装置还包括偏光片，所述偏光片设置于所述第一图像传感器和所述第二图像传感器之间。

7.如权利要求1所述的摄像装置，其特征在于，所述第一类波长范围的光辐射是波长从0.4微米到0.76微米的可见光；所述第二类波长范围的光辐射是波长从0.76微米到10微米的红外光。

8.如权利要求1所述的摄像装置，其特征在于，所述第一图像传感器制作在一硅晶片基板上，所述硅晶片基板经过薄化处理，其平均厚度小于10微米。

9.如权利要求1所述的摄像装置，其特征在于，所述第一图像传感器包括光电变换元件，所述光电变换元件为半导体薄膜器件，所述半导体薄膜器件为氢化非晶硅或非晶硒或氧化物半导体；所述第二图像传感器为制作于一结晶硅基板上的CMOS或CCD红外图像传感器。

10.如权利要求9所述的摄像装置，其特征在于，所述半导体薄膜器件由薄膜晶体管阵列所驱动，且所述半导体薄膜器件和所述薄膜晶体管阵列都形成在一个可以透过红外线的基板上。

11.如权利要求9所述的摄像装置，其特征在于，所述半导体薄膜器件由薄膜晶体管阵列所驱动并直接形成在一绝缘膜上，所述绝缘膜直接形成在所述第二图像传感器上。

12.如权利要求9所述的摄像装置，其特征在于，所述半导体薄膜器件直接形成在所述第二图像传感器上，其中，控制该半导体薄膜器件的图像信号的选择开关、信号放大电路和噪声降低电路，与所述第二图像传感器均制作在同一个结晶硅基板上。

13.如权利要求1所述的摄像装置，其特征在于，所述第二图像传感器的像素阵列的每个子像素都与所述第一图像传感器的像素阵列的N个数目的子像素相对应并在空间上重合交叠，其中，N为正整数并大于或等于1。

14.一种便携式多光谱摄像和显示设备，其特征在于：所述便携式多光谱摄像和显示设备包括：

一本体；

一如权利要求1至13中任一项所述的摄像装置，位于所述本体的一侧；

至少包括一个非可见光光源的多个光源，所述光源位于摄像装置一侧并环绕所述摄像装置；以及

一平板显示屏，设置于所述本体的另一侧，所述平板显示屏用可见光显示根据所述多光谱摄像装置采集到并处理过的或者融合过的第一类波长范围的光辐射的图像信息和第二类波长范围的光辐射图像信息。