CN115086514A - 视频相机中的用于评估环境光的装置 - Google Patents

Abstract

公开了视频相机中的用于评估环境光的装置。具体地，公开了一种用于确定到达视频相机的图像传感器的光的量的装置，所述视频相机包括朝向图像传感器引导光束路径的成像透镜系统，其中，所述装置包括：透明探测元件，所述光束路径在其路线上通过所述透明探测元件传递到所述图像传感器，以及光传感器，被布置在所述透明探测元件的端部，其中，所述光传感器被布置为收集在所述透明探测元件中散射或反射的光。

Description

视频相机中的用于评估环境光的装置

技术领域

本发明涉及一种视频相机中的装置，用于在视频相机的操作中评估环境光的测量。本发明还涉及包括这种装置的成像光学仪器。

背景技术

用于相机的IR(红外线)滤光器的使用本领域中(并且具体地在关于数字相机的领域中)是公知的。简而言之，相机的图像传感器对于红外光中的不可忽略的分量具有光谱响应，这即产生机会也产生挑战。机会在于，在低光度条件下，IR分量可以提供关于成像场景的有用的附加的信息，甚至可以提供借助于IR光源而进一步被增强的信息。在白天成像期间，其中存在充足的光来提供彩色成像，IR分量的存在可能扭曲或破坏图像中的色彩平衡。

维持有益效果同时抑制较为无益的效果的方式是在白天模式操作期间在光束路径中图像传感器的前面添加可移动的IR截止滤光器，使得IR分量被移除。以这种方式，可以在日光条件期间使用IR滤光器，使得能够获得彩色图像。在白天模式操作期间，图像传感器的像素将以光谱分辨方式操作，其中入射光在单独光电检测器上被检测为电荷。每个光电检测器设有滤光器，以便接收主要红色的辐射、主要绿色的辐射，或者主要蓝色的辐射，因此实现色彩分离。这是公知的技术，并且拜尔滤波器是可以使用的此类滤色器阵列的示例。在夜晚模式操作期间，例如在低光度条件中，可以移除IR截止滤光器。这意味着，将存在从光谱的IR部分发出的增加的传入光(或辐射)，能够用于提高图像质量，但代价是使得彩色成像困难或不可能，这是因为每个色彩通道具有IR区域中的响应。这将通过在每个色彩通道中添加未知的因素而使色彩信息偏斜。因此，对于可以被呈现为灰度强度图像(或以任何理想的色标被呈现的)的每个像素，被维持的仅有的参数是入射辐射的总强度，而不是在夜晚模式操作期间执行色彩分离。IR光源的添加可以更进一步地增强图像。

在直截了当的解决方案中，IR截止滤光器被布置在传感器前面，并且使用致动器来在其中滤光器完全地覆盖传感器(‘白天模式’)的位置与其中滤光器完全地被移除以防止模糊图像传感器(‘夜晚模式’)的位置之间移动滤光器。当从夜晚模式切换到白天模式时，不足为奇的是，在光束路径中有IR滤光器的情况下光水平太低，以及切换回夜晚模式是必要的，在夜晚模式和白天模式之间导致来回闪烁。这导致图像的明显的闪烁，以及致动器上的相当多的磨损。因此，反反复复切换不利于用户体验，并且因此在切换之前可以存在评估，其中成像单元设法推导场景中的可见光的量，以便确信切换到白天模式是适当的。

本发明主要地涉及实现场景中的环境光的评估的改善的装置。该装置可以用于许多情况中，但是，在操作在夜晚模式中并判定转换到白天模式是否将是适当的时，具有特别的优点。

发明内容

以提供相比较已知技术的改善的解决方案为目的，本发明涉及用于确定到达视频相机的图像传感器的光的量的装置。视频相机包括朝向图像传感器引导光束路径的成像透镜系统。该装置的特征在于：其具有透明探测元件，光束路径在其路线上通过该透明探测元件传递到图像传感器，以及光传感器，被布置在透明探测元件的端部，使得光传感器被布置为收集在透明探测元件中散射或者反射的光。

该创造性的装置实现对朝向图像传感器行进的光的量的连续的(或间歇性的)监视。成像透镜系统的调整(更具体地，变焦或者孔径尺寸的变化)将改变朝向图像传感器被引导的光的量。由于创造性的装置探测整个光束路径，因此其将报告这种变化，并且光的量的测量将与图像传感器所实际上捕捉的有关。而且，由于该透明探测元件，可以在视频序列的采集期间(即，在图像传感器12由于图像的采集而被激活时)执行测量。

在一个或多个实施例中，光传感器被安装到透明探测元件的一个侧边。从制造视角来看，光传感器的该位置是便利的。此外，以这种方式，整个透明探测元件可以作为光导来工作。透明探测元件典型地是在光束路径的方向上较薄的元件，以便不会太多地妨碍光束路径，并且已经开始在该元件内部分散并且离开侧边的光的强度很可能会更高。对于此的示意性解释是在透明探测器元件内部被内部散射的光将直接地离开元件(在元件的大表面上均匀地离开，并且因此具有弱强度)，而所有其他光将凭借完全的内部反射在大表面之间被引导朝向具有显著小的多表面的侧边，导致更高的有效强度。

为了进一步增加被引导到光传感器的光的强度，在一个或多个实施例中，透明探测元件的侧边可以被配置为反射利用光传感器可检测的波长。该反射性可以借助于侧边的表面涂层或棱镜形状来实现。

关于一个或若干实施例，并且以提高效率以及提供简单性为目的，透明探测元件兼作在夜晚模式操作期间使用的虚设玻璃滤光器。虚设玻璃或者虚设玻璃滤光器是在具有夜晚模式操作和白天模式操作的大多数视频相机中可用的部件。在夜晚模式操作期间，当为了去除IR辐射而使其不到达图像传感器而在白天模式操作期间被布置的IR截止滤光器从光束路径中被移除时，对于虚设玻璃的需求便产生了。IR截止滤光器将折射朝向图像传感器行进的射线，并且如果其被移除而未有任何其他动作，则图像将变得离焦。通过插入虚设玻璃，折射将是恒定的，并且通过此，聚焦也同样。该系列实施例的效果是可以仅仅在夜间操作期间(当虚设玻璃被放置在光束路径中时)执行测量。

透明探测元件可以被布置在图像传感器的前面，更靠近图像传感器而非更靠近成像透镜系统的孔径平面，这可以是合适的位置，因为其是可能存在可用空间的位置。此外，更靠近图像传感器的位置使得装置能够是视频相机的而不是透镜系统的一部分，并且通过此，透镜可以不考虑透镜系统是否包括该创造性的装置而被自由地切换。

在其他实施例中，不管形式是否为虚设玻璃，透明探测元件被布置在成像透镜系统的透镜之间、接近成像透镜系统的孔径平面或者位于其中。该位置要求：装置尺寸较小，以及要多加小心而不干扰光学仪器的任何运动(运动)。另一方面，这不是IR截止滤光器和虚设玻璃的不常用位置，这使得其为该创造性的装置的直截了当的位置。IR截止滤光器、虚设玻璃和创造性的装置可以被提供于单个单元中，该单个单元可以包括或也可以不包括可变孔径(例如，光阑孔径)。将所有这些部件组合为单个单元可以作为整体提供更省空间的方案，其中创造性的装置将被更好地保护。孔径平面中的或者接近孔径平面的位置也有在利用图像传感器采集的图像中减少引发可见效果的风险的优点。

为完整性性，在任何实施例中，可以说，透明探测元件可以是光学平晶，即，就表面质量和所使用的材料而言具有卓越光学性质的元件。典型地，这对于虚设玻璃而言也是优选的。

在一个或多个这些实施例中，光传感器被配置为测量超过视频相机的曝光时间的时间期间的光水平。这是到达光传感器的低光强度的效果，毕竟，针对尽可能多的到达图像传感器的光来优化成像系统。作为用于调整曝光设置的输入，光传感器的长的整合时间会较为不合适，然而其对于支持判定是否是时候从夜晚模式切换到白天模式而言将工作良好。在相关的实施例中，装置被配置为控制夜晚模式和白天模式之间的切换。这基本上仅仅意味着来自光传感器的信号被直接地或者间接地(例如，经由微控制单元或中央处理单元)引导到滤光器开关控制装置。

在一个或多个实施例中，装置被可缩回地布置，使得其可以被插入到光束路径中并且从光束路径缩回。当透明探测元件被实施为虚设玻璃时是这种情况，这是因为虚设玻璃典型地被可缩回地布置在还包括IR截止滤光器的单元中。然而，即使透明探测元件是专用部件，其也可以以可缩回方式来布置。

在其他实施例中，装置被固定地安装。固定的装置将实现更省空间的构造，这是因为对于用于将装置移动到一位置以及从该位置移出的致动器的需要将被消除。

根据本发明的相关的方面，其可以被体现在包括如上或如下所述的装置的透镜系统或视频相机中。

附图说明

图1是根据本发明的一般实施例的相机设置的示意图。

图2是图示出标准传感器芯片的光谱响应的示意图。

图3和图4是图示出可以在本发明的实施例中使用的探测元件的示例的两个不同的示意立体图。

图5和图6是图示出可以在本发明的实施例中使用的探测元件的另外的特征的截面图。

图7是本发明的实施例中的成像透镜系统的示意图，其中有探测元件的可能位置。

具体实施方式

图1图示出被提供有根据本发明的一个实施例的装置的相机设置。本发明的实施例的主要目标是该装置能够提供对到达传感器的光(且仅对该光)的强度的测量。利用该能力，不仅仅评估环境光将是可能的，而且使设置适应通过相机实际地成像的场景的一部分也是可能的。视频相机(示意为监测相机10)具有图像传感器12和成像光学仪器14。至少一个光谱滤波器(IR截止滤光器16)可布置在图像传感器12的前面，并且可以在图像传感器被该滤光器覆盖的位置与其未被该滤光器覆盖的位置之间切换。使用在图1中用活塞表示的致动器6来执行切换。在实际应用中，IR截止滤光器典型地被布置在单独的单元(未示出)中并且与(将被描述的)虚设滤光器并排，使得当在横向运动中一个滤光器被移除时，另一个滤光器取代其位置。措词“图像传感器被滤光器覆盖”应当被理解为该滤光器被布置为使得其影响到达图像传感器的所有辐射。其可以直接布置在图像传感器的前面，使得其或多或少差不多覆盖该图像传感器，但是其也可以(代替地)布置在其它位置，诸如成像光学仪器内、成像光学仪器前面等等。从实用角度，IR截止滤光器被布置在存在用于滤光器和控制机构的足够空间的地方以及该IR截止滤光器被合理较好地防止物理干预的地方。返回参考包含IR滤光器和虚设滤光器的单元，这种单元也可能包含可变孔径。无论如何，以这种方式，可以控制到达图像传感器12的光(或者在任何UV或IR被传送的情况下的辐射)的光谱区。图1还示出了具有相关联的光传感器的透明探测元件18。将进一步详细说明透明探测元件18的特征，随后是对光谱滤波和彩色成像的简介。

简要参考图2，当IR截止滤光器在白天模式操作期间被布置在传感器前面时，光谱的整个IR部分被移除，意味着分别由红色通道、绿色通道和蓝色通道所测量的信号可以被解析并且转换为彩色图像。通过使用布置在图像传感器前面或者甚至与图像传感器组合的滤色器阵列，入射光被分离为不同的色彩通道。拜尔滤波器是为此目的的常用滤色器阵列。值得注意地，图2中还指示出，每个色彩通道具有NIR光谱区中的光谱响应，意味着滤色器阵列中的每个滤色器(拜尔滤波器)将具有IR区域中的透射，并且在夜晚模式操作中由于IR截止滤光器从图像传感器中被移除，光谱的该部分也入射在图像传感器上。这将以丧失再现场景的真色彩表示的可能性为代价显著地增加收集的辐射的量，这就是在常见的做法中在夜晚模式成像中使用灰度表示的原因。在该夜晚模式操作中，可以通过布置IR照明源来进一步增加图像质量，该IR照明源提供具有预期效果的场景照明、同时仍然对于人眼为不可见或不干扰人眼，这是因为其存在于可见波长谱的外部。随着IR截止滤光器16被移除，当转换为夜晚模式成像时，常常是虚设滤光器18取代其位置。虚设滤光器的目的是模拟由IR截止滤光器引起的折射，使得对于白天模式和夜晚模式成像将图像聚焦维持为相同。

返回到图1和本发明的第一实施例，该虚设滤光器18充当透明探测元件，并且因此将用相同的附图标记这些部件。纵然透明探测元件不是非得以虚设滤光器18来实施，但是部件的双重使用存在明显的优势。光传感器20被布置在透明探测元件18(虚设滤光器)的一个侧面。已经讨论了使光传感器布置在一个侧面(棱)的优点，这不排除该光传感器可能替代地被放置在其它位置。透明探测元件18具有为光传感器收集光的目的，其应当从光束路径的整个横截面收集光，确切地说，到达图像传感器的每个光线都应当被探测。当环境光水平被评估时，情况是如此，而不倾向图像传感器的任何特定区域(即，不获得对成像场景中的一定量的可见光的测量)。利用本发明的该实施例和其他实施例的设置，被评估的光将遵循成像光学仪器的任何改变，诸如变焦的改变，这是因为该成像光学仪器探测向传感器方向前进的所有光。换句话说，其将不包括不是向传感器方向前进的光，这是好的，这是因为该光将不并且不应当影响曝光设置以及从夜晚模式切换到白天模式的估计是否适当的估计。在创造性的设置中，所收集的光的量相当低，创造性的装置应当尽可能少地影响到达图像传感器的光的量。因为所收集的光的量相当地低，所以更长的整合时间的使用是优选的。如果需要，光传感器的整合时间(即，测量时间或曝光时间)能够相当长，根据情形，从几分之一秒到几秒、数秒、或者甚至几分钟。因此，在必要时使用实现这种长整合时间的光传感器将是有益的。在光的量较低(以及更长的整合时间是优选的)的情形中，出于明显的理由，具有低内部噪声的光传感器是优选的。更长的整合时间将使创造性的装置更好地适于确定何时从夜晚模式切换到白天模式而非例如影响在操作期间的曝光设置。传感器20将检测已经从透明探测元件18的表面反射和散射的光，以及已经针对透明探测元件18中的缺陷或者仅仅由于透明探测元件中的材料因而散射的光。就此而言，透明探测元件18被配置为尽可能少地影响到达传感器的光(对于常规虚设滤光器而言这也是正常情况)。使得所有这些准则能够共存的是光传感器的整合时间(即，测量时间)能够相当长。根据情形，几分之一秒到几秒、数秒、或者甚至几分钟。

不同实施例的透明探测元件18的形状和尺寸可以不同，并且然后主要是透明探测18元件的位置不同。在若干实施例中，出于明显的理由，将具有虚设滤光器的形状和尺寸，这是因为其将是相同的部件。主要为了使其更具体的原因，图3和图4图示出两个可能的形状。示出了一个圆形形状和一个矩形(或者方形)形状。对于两种元件形状，光传感器20被布置在一个侧边(或者在圆形形状的情况下被布置在沿着侧边的位置)。

如之前所提到的，透明探测元件不是非得实施为虚设滤光器。对此可能存在若干理由。一个理由可以是在滤光器机构中不存在布置光传感器的空间。另一个原因可以是，将更合算的是，将透明探测元件和其对应的光传感器20与视频相机10相关联或者将其关联在视频相机10中，使得透镜系统可以被自由地切换(而不用必须使用在它们中具有创造性的装置的透镜系统)。在这样的实施例中，透明探测元件将优选地被静态地布置(相比较可缩回而言)，这是可能的，这是因为其仅仅吸收可以忽略的辐射量，并且更优选的这是因为其降低复杂度。这种静态布置的透明探测元件可以被布置为靠近图像传感器12、在视频相机内部受到较好保护，并且容易地可连接到所需要的处理能力。代替地，静态布置的透明探测元件当然能够放置在透镜系统14中，其在例如从空间限制考虑、从技术复杂度考虑或者作为现存透镜系统的功能升级的结果可能被考虑为是合适的。

在第二实施例中，使侧边(除了布置了光传感器20的部分)具有反射性，以便增加接收光传感器的信号。如之前所提到的，到达光传感器20的光的量较低。反射性特征可以以许多不同的方式实现，并且可以被或多或少地详细描述。一种选择是利用反射涂层涂覆侧边(如图5的截面图中所图示的)或者通过对侧边给出棱镜形状(如图6的截面图中所图示的)。反射性特征可以或多或少被施加到探测元件的所有侧边，当然可以除了针对光传感器20的位置。这些实施例可以被组合，并且解决方案也可以在被应用于布置了光传感器20的侧边，尽管明显的是也应当以适当的方式布置用于光传感器的外耦合。如果图5，由箭头32来表示落在透明探测元件18上的光束。示出了单个光的入射射线34穿过元件18。在其路线上，射线34将由于元件18中的缺陷而在36(和其他任何地方)分散，并且其将针对表面分散和反射38。散射光或者反射光的一些将直接地到达传感器20，同时其他射线将经历进一步的反射，并且反射表面18E的使用将增加朝向光传感器20反射40的光的量。应当注意到，说明书非常基础；指示光射线的线的方向不对应于计算出的方向，并且它们的厚度不对应于被反射的量的任何测量。在许多情况下，虚设滤光器(或透明探测元件)的外部表面将具有防反射涂层，因此被反射的部分将相当小。另外，用于这些元件的材料可以具有高光学级，因此由于总体上的缺陷或碎粒以及表面的散射也会较低。尽管如此，这些措施将决不会是完美的，并且为了本发明的目的已经充分考虑了到达光传感器20的光的量。

图7是具有前透镜14F和后透镜14B的透镜系统的示意图，基本上是更多复透镜的极简化版本。其可以看作图1的初步透镜系统14的细化。透镜14B之一可活动，这通过箭头来指示，并且透明探测元件18的一些位置通过位于附图标记18P：1至18P:5的虚线来指示。当系统变焦缩小时，透镜间隔是远的，并且当系统变焦放大时，透镜变成逐渐靠近彼此。两个透镜都可以被可移动地布置。在透镜之间，我们发现孔径平面或孔径光阑被布置，其中典型地虹彩光圈30或者其他类型的可变孔径用于控制到达图像传感器的光的强度。就使滤光器靠近孔径平面或孔径光阑而言存在附加的好处，在孔径平面或孔径光阑中，例如在18P：3或18P：4处布置有虹彩光圈或其他可变孔径。在正常配置中，孔径平面表示不存在与图像传感器12的平面的空间相关性的位置；孔径平面的每个点包含在图像传感器的每个点终止的光射线，并且阻断光束路径的一部分将引起在图像平面的强度全局减少而非局部阴影。有时这被称为孔径光阑，其中，孔径光阑限制到达共轭像点(在我们的情况中为传感器)的来自对象的每个点的光的多少。孔径光阑因此定义光束路径中的平面，并且有时术语“孔径平面”用于相同的特征。该平面的特征是，它在这样的位置：至少在理想状况中，光阑孔径的尺寸的变化将同等地影响整个图像平面。对于一些应用这可以是用于创造性的装置的适当的位置，其中18：P3将是更优选的。较小的探测元件可以是较小的尺寸，这是因为所有光通过相当小的孔径。然而，可用空间常常是非常有限的。对于一些透镜系统，可活动透镜区段将在一个末端几乎接触到固定透镜区段。对于这种透镜系统，装置可能必须被放置在别处。真实产品中使用的变焦距透镜系统和等焦距透镜系统典型地包括大量光学部件，并且相比在本图中示出的情况而言明显更复杂。

在一个优选的实施例中，创造性的装置被放置在滤光器单元中，该滤光器单元包括IR截止滤光器和虚设滤光器(兼作透明探测元件)并且优选地也包括可变孔径。这种单元将具有用于滤光器移动的一个致动器以及用于改变可变孔径的尺寸的一个致动器(如果该部件被包括在该单元中)。通过使用这种单元，创造性的装置将受到更好的保护，并且其也将促进省空间的构造。这种单元(减去光传感器20)在商业上可获得并且能够提供适当的出发点以用于提供和创造性的装置。

在前透镜前面，在位置18P：5处是另一个可能的位置。该位置的优点是可能存在再多一些空间，而缺点是光传感器将更少——如果有的话，——考虑所收集的光被选择。其将实际上探测到达图像传感器的所有光，而且也探测将决不会到达图像传感器的光。装置能够被遮去而增强从前向方向的光的收集，但是很明显的是其将不受变焦水平的变化的影响，而是其将给出对总环境光的测量。这可能适用于一些应用，但是一个好处将丢失。直到在孔径光阑之后(在横隔膜之后)的位置，这将部分地成立。因此，孔径光阑和图像传感器之间的某处的位置将是更优选的，诸如P18：1至P18：3。

后透镜后面的位置也是可能的，在18P：2处，而出于有限空间的理由也可能是要选择的难的位置，特别是如果其必需被收容在透镜系统内的话。其余选择是将装置定位为靠近图像传感器，或多或少在相机外壳8的内部，在位置18P：1处，在那里存在再多一些空间。这基本上对应于图1的情形。再次需要强调的是，图7的示意图非常简化，如果与实际的变焦距系统或者等焦距透镜系统相比较，其更易理解。

对于这些位置中的每一个，如果探测元件被固定地安装使得其一直存在于光束路径中，则创造性的装置的布置将被简化，因为将不需要用于致动器6和IR截止滤光器16的任何空间。在可能的情况下，其可以与虚设滤光器相结合，如所描述的，这是优选的。

返回到图1，视频相机10具有外壳8。在图1中，外壳8是矩形，然而应当注意到，相机外壳可以采用许多不同的形式，并且为了本发明的目的，可以使用任何已知的形式(不排除未知的形式，除非它们使实现本发明不可能)。此外，由相机执行的功能可以被实现在不同的单元中，使得图像在一个物理位置被收集并且经由导线(或无线地)传递到另一个单元用于处理。此类方式在应用中并不罕见，其好处是相机的图像收集部分保持得尽可能小。图像处理器或视频处理器22(或其组合)被布置为处理由图像传感器12收集的图像数据，并且将其向前馈送给编码器28。中央处理单元24被布置为控制处理，并且在图1中，中央处理单元24表示相机的所有控制单元——尽管在实际的设施中，处理控制可以分布在不同的单元中。在多数情况下，相机(或单元之一，参考以上文本)还会包括用于超出相机的约束的通信的网络接口26。以上描述可理解地是对于现代视频相机的非常简化的说明，并且对于更详细的知识，感兴趣的读者可以转向本申请人的产品组合。总体流明显地具有从图像传感器12朝向编码器28和网络接口26的方向，然而也存在走另一条路的反馈机制。

Claims (13)

1.一种用于确定到达视频相机的图像传感器的光的量的装置，所述视频相机包括朝向所述图像传感器引导光束路径的成像透镜系统，其中，所述装置包括：

透明探测元件，所述光束路径在其路线上通过所述透明探测元件传递到所述图像传感器，以及

光传感器，被布置在所述透明探测元件的端部，

其中，所述光传感器被布置为收集在所述透明探测元件中散射或反射的光，

其中，所述透明探测元件兼作虚设玻璃滤光器，所述虚设玻璃滤光器被配置为使可见光和红外光二者都通过并且在所述视频相机的夜晚模式操作期间被使用以替换在所述视频相机的白天模式操作期间使用的IR截止滤光器。

2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述光传感器被安装到所述透明探测元件的一个侧边。

3.根据权利要求1所述的装置，其中，所述透明探测元件的侧边对于利用所述光传感器可检测的波长具有反射性。

4.根据权利要求3所述的装置，其中所述反射性是借助于所述侧边的表面涂层或棱镜形状实现的。

5.根据权利要求1所述的装置，其中，所述透明探测元件被布置在所述图像传感器的前面，比所述成像透镜系统的孔径平面更靠近所述图像传感器。

6.根据权利要求1所述的装置，其中，所述透明探测元件被布置在所述成像透镜系统的透镜之间，接近所述成像透镜系统的孔径平面或者位于所述成像透镜系统的孔径平面中。

7.根据权利要求1所述的装置，其中，所述透明探测元件是光学平晶。

8.根据权利要求1所述的装置，其中，所述光传感器被配置为测量超过所述视频相机的曝光时间的时间期间的光水平。

9.根据权利要求1所述的装置，其中，所述装置被配置为控制所述视频相机的夜晚模式和白天模式之间的切换。

10.根据权利要求1所述的装置，其中，所述装置被可缩回地布置，使得其能够被插入到所述光束路径中以及从所述光束路径缩回。

11.根据权利要求1所述的装置，其中，所述装置被固定地安装。

12.一种透镜系统，包括根据权利要求1所述的装置。

13.一种视频相机，包括根据权利要求1所述的装置。

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