CN1916751A - 电子闪光灯、成像装置和产生具有矩形辐射图案闪光的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了电子闪光灯、成像装置和用于产生闪光的方法，其使用衍射光学元件产生具有矩形辐射图案的闪光。衍射光学元件配置来衍射从光源发射出的光，使得从衍射光学元件发射出的光的辐射图案是矩形的，以产生矩形闪光。

Description

电子闪光灯、成像装置和产生具有矩形辐射图案闪光的方法
技术领域
本发明涉及电子闪光灯、成像装置和产生具有矩形辐射图案的闪光的方法。
背景技术
电子闪光灯为摄影提供补充光，以改善由摄影机或者其它成像装置摄取的图像。传统的电子闪光灯使用充满诸如氩、氪、氖和氙之类的气体和诸如汞蒸汽之类的蒸汽的灯泡。当向灯泡施加高电压时，气体或者蒸汽被电离，允许电子通过气体或者蒸汽流动。这些电子激发气体或者蒸汽的原子，这些原子发出光。所发出的光的波长特征取决于灯泡中的气体或者蒸汽。在汞蒸汽的情形中，所发出的光是紫外光，其通常通过使用荧光材料转换成可见光，因为紫外光通常不是所期望的。
最近，发光二极管(LED)就工作效率方面被改进到了用LED替代常规的光源(甚至是电子闪光灯的灯泡)的程度。典型的LED闪光灯包括一个或者多个LED管芯和一个透镜。LED被附接或者安装到衬底上反射杯中，所述反射杯朝向所期望的方向反射从LED发出的光。透镜被布置在反射杯上方，以将所发出的光引导成60度(60°)的视角，来匹配摄影机的视角。
如图1所示，常规LED闪光灯的问题在于，由该LED闪光灯产生的光的闪光辐射图案10是圆形的或者椭圆形的。但是，摄影机的成像视野12是矩形的。因为成像视野12需要处于辐射场10中，所以从常规的LED闪光灯发出的光中的大部分在摄取感兴趣的场景时没有被使用。因此，由LED闪光灯所产生的闪光在摄取矩形图像时不能被高效利用。
鉴于该问题，需要一种LED闪光灯和用于产生闪光的方法，其允许闪光被诸如数码摄影机之类的成像装置高效使用。
发明内容
本发明公开了电子闪光灯、成像装置和用于产生闪光的方法，其使用衍射光学元件产生具有矩形辐射图案的闪光。衍射光学元件配置来衍射从光源发射出的光，使得从衍射光学元件发射出的光的辐射图案是矩形的，以产生矩形闪光。闪光的矩形辐射图案允许闪光被较具有圆形或者椭圆形辐射图案的常规闪光更高效地用于摄取感兴趣的场景的矩形图像。
根据本发明的实施例的电子闪光灯包括：衬底；光滑和衍射光绪元件。所述光源附接到所述衬底。所述光源配置来发射光。所述衍射光学元件配置来衍射从所述光源发射出的所述光，使得从所述衍射光学元件发射出的所述光的辐射图案成矩形，以产生具有矩形辐射图案的闪光。
根据本发明的实施例的成像装置包括：衬底；光源、衍射光学元件和图像传感器。所述光源附接到所述衬底的光源。所述光源配置来发射光。所述衍射光学元件光学耦合到所述光源。所述衍射光学元件配置来衍射从所述光源发射出的所述光，使得从所述衍射光学元件发射出的所述光的辐射图案成矩形，以产生具有矩形辐射图案的闪光。所述图像传感器配置来利用具有所述矩形辐射图案的所述闪光电子地摄取感兴趣的场景的图像。
根据本发明的实施例的用于产生闪光的方法包括：在电子闪光灯内产生光；以及利用所述电子闪光灯的衍射光学元件衍射所述光，使得从所述衍射光学元件发射出的所述光的辐射图案成矩形，以产生具有矩形辐射图案的闪光。
结合由本发明的原理的示例说明的附图，通过下面的详细描述，本发明的其它方面和优点将变得清楚。
附图说明
图1示出了根据现有技术的由常规的LED闪光灯产生的闪光的圆形辐射图案和摄影机的矩形成像视野。
图2示出了根据本发明的实施例的电子闪光灯，其可以被包括在数字摄影机、摄影电话机或者外部闪光灯单元中。
图3是根据的本发明的实施例的具有电子闪光灯的数字成像装置的视图。
图4示出了由根据本发明的实施例的电子闪光灯产生的闪光的矩形辐射图案。
图5是根据本发明的替换实施例的电子闪光灯的视图。
图6是根据本发明的实施例的具有多个光源的电子闪光灯的视图。
图7是根据本发明的实施例的用于产生具有矩形辐射图案的闪光的方法的流程图。
具体实施方式
参考图2描述根据本发明的实施例的用于摄影的电子闪光灯20。如图2所示，电子闪光灯20可以被包括在数字摄影机22、摄影电话机24或任何其他成像装置中。电子闪光灯20还可以被包括在外部闪光灯单元26中，该外部闪光灯单元26可以与成像装置一同使用。如在下文中更详细描述的，电子闪光灯20被设计来产生具有矩形辐射图案的闪光，以更紧密地匹配成像装置的成像视野，从而更高效地使用闪光。
现在回到图3，示出了根据本发明的实施例的具有电子闪光灯20的数字成像装置30。在此实施例中，电子闪光灯20被包含在数字成像装置30中，该数字成像装置30可以是数字摄影机或摄影电话机。如图3所示，成像装置30包括透镜32、图像传感器34、模数转换器(ADC)36、处理器38、存储装置40、驱动电路42和电子闪光灯20。成像装置30可以包括其它常用于常规的数字成像装置中的部件，但是在此没有被示出或者描述。透镜32用于将感兴趣的场景聚焦到图像传感器34，以摄取该场景的矩形图像。图像传感器34通过响应于在图像传感器的每一个像素处接收到的光在该像素处产生电荷，用于电子摄取规定矩形视野62中的聚焦场景，如图4所示。例如，图像传感器34可以是电荷耦合器件(CCD)或者金属氧化物半导体(MOS)图像传感器。由图像传感器34产生的电荷由ADC 36转换成数字信号，用于信号处理。
成像装置30的处理器38处理来自ADC 36的数字信号，以产生感兴趣的摄取场景的矩形数字图像。由处理器38执行的处理可以包括去马赛克(demosaicing)、图像改善和压缩。所得的矩形数字图像被储存在存储装置40中，存储装置40可以包括移动存储卡。
成像装置30的驱动电路42被连接到电子闪光灯20，以提供激活电子闪光灯所需的电功率。驱动电路42还被连接到控制该驱动电路的处理器38。在所示的实施例中，驱动电路42被示为处于电子闪光灯20的外部。但是，在其它实施例中，驱动电路42可以被包含在电子闪光灯20中。
如图3所示，电子闪光灯20包括衬底44、光源46、密封剂48和衍射光学层50。衬底44为电子闪光灯20提供结构支撑。衬底44包括形成反射杯的凹入部分52。光源46被安装在衬底44上反射杯52中。因此，从光源46发出的光中的一部分将沿光源顶表面的法向被离开反射杯52的表面朝向衍射光学层50反射。在此实施例中，光源46是发光二极管(LED)管芯。例如，光源46可以是发射白光的基于ZnSe的LED管芯。但是，光源46可以是任何类型的发光装置，诸如激光二极管。LED管芯46被电连接到驱动电路42，以接收电功率来产生光。
LED管芯46被密封在密封剂48中，密封剂48是用于传播从LED管芯发出的光的介质。因此，密封剂48被布置在衬底44上，并且填充衬底的反射杯52。密封剂48可以由任何透明物质制成。例如，密封剂48可以由环氧、硅酮、硅酮和环氧的混杂物、无定型聚酰胺树脂或者氟碳、玻璃和/或塑料材料制成。
在所示出的实施例中，密封剂48包括波长移动区域54，该波长移动区域54也是传播光的介质，由透明物质和光致发光材料56制成。在波长移动区域54中的光致发光材料56用于将LED管芯46发射的原始光中的一部分转换成较低能量(较长波长)的光，以便产生不同颜色的光，诸如白光。但是，如果LED管芯46是发白光的基于ZnSe的LED管芯，则可以不需要波长移动区域54。在波长移动区域54中的光致发光材料56可以由一种或者多种不同类型的无机磷光体、一种或者多种不同类型的有机磷光体、一种或者多种不同类型的荧光有机染料、一种或者多种不同类型的混杂磷光体、一种或者多种不同类型的纳米磷光体、一种或者多种不同类型的量子点或者荧光有机染料、无机磷光体、有机磷光体、混杂磷光体、纳米磷光体和量子点的任意组合组成。混杂磷光体在此被定义为由无机磷光体和有机磷光体或染料的任意组合制成的磷光体。量子点(也被称为半导体纳米晶体)是限制电子和空穴的人造器件。与非量子磷光体相似，量子点具有光致发光性能，用于吸收光并再发射不同波长的光。但是，从量子点发出的光的颜色特性取决于量子点的尺寸和量子点的化学组成，而不是像非量子磷光体一样仅仅取决于化学组成。纳米磷光体具有与常规磷光体相似的光学性能。但是，纳米磷光体的尺寸小于常规磷光体，但是大于量子点。常规磷光体的尺寸的范围为1-50微米(典型地，1-20微米的范围)。纳米磷光体的尺寸小于1微米，但是大于量子点，量子点的尺寸可以为几个纳米。例如，光致发光材料56可以是常规的YAG磷光体，该YAG磷光体在用于发蓝光的LED管芯时可以产生白光。
虽然密封剂48的波长移动区域54在图3中被示出为矩形形状，但是波长移动区域可以被构造成其它形状，诸如半圆形。在实施例中，整个密封剂48可以是波长移动区域。在此实施例中，光致发光材料56可以遍布整个密封剂48。在另一个实施例中，波长移动区域54可以是LED管芯46上的薄的涂层。在其它实施例中，波长移动区域54可以不是物理地耦合到LED管芯46，而是位于离开LED管芯一定距离处。在一个实施例中，波长移动区域54可以是位于密封剂48的表面上靠近衍射光学层50的薄层(没有示出)。
电子闪光灯20的衍射光学层50紧邻密封剂48布置。衍射光学层50使用透明粘接材料58附接到密封剂48。例如，光学级胶粘剂可以被用作粘接材料58，以使由于密封剂48和衍射光学层50之间的折射率变化导致的光损耗最小化。如图4所示，衍射光学层50是衍射光学元件，其被配置来将从LED管芯46发出的光的圆形辐射图案转换成矩形辐射图案60，该矩形辐射图案对应于图像传感器34的成像视野62。因此，从衍射光学层50发出的光是具有矩形辐射图案的闪光。衍射光学层50可以是任何如下的光学元件，该光学元件利用衍射执行任何类型的波前变换，以将圆形辐射图案化的光转变为矩形辐射图案化的光。或者，衍射光学层50可以是衍射漫散器，其被设计使用离散傅立叶变换(DCT)算法来将圆形辐射图案化的光转变为矩形辐射图案化光。这样的衍射漫射器可以使用作为误差函数最小化的工艺的模拟退火法(也被称为“IDO”法)，或者作为迭代投影工艺的“Ping-pong”或者投影法来制造。在一个实施例中，衍射光学层50可以是全息膜的形式。
当入射圆形辐射图案化光具有窄的视角时，衍射光学层50起到良好的作用。因此，如果来自LED管芯46的光在透射穿过衍射光学层50之前被聚焦，则电子闪光灯20可以被改善。现在回到图5，示出了根据本发明的替换实施例的电子闪光灯20。图3中的相同标号将被用来表示图5中的相似元件。与图3的电子闪光灯20相似，电子闪光灯64包括衬底44、光源46、具有波长移动区域54的密封剂48以及衍射光学层50。但是，电子闪光灯64还包括具有光学圆顶罩形式的透镜66。
透镜66位于密封剂48内LED管芯46和衍射光学层50之间，并且用于在从LED管芯发出的光透射穿过衍射光学层之前对其进行聚焦以缩窄光的视角。光学圆顶罩透镜66具有面向LED管芯46的凹面68。光学圆顶罩透镜66的凹面68会聚来自LED管芯46的光，以缩窄光的视角。光学圆顶罩透镜66可以由任何光学透明材料(诸如玻璃或者塑料)制成。
当输入光具有窄的视角时，衍射光学层50就辐射图案转变而言光学性能被改善了。因为光学圆顶罩透镜66缩窄了从LED管芯46发出的光的视角，所以光学圆顶罩透镜的引入改善了衍射光学层50的光学性能，以产生具有矩形辐射图案的限定良好的闪光。
虽然图3和图5的电子闪光灯20和64已经被示出和描述为仅包括一个光源，但是在其它实施例中，电子闪光灯可以包括多于一个的光源。在图6中，示出了根据本发明的实施例的具有多个光源的电子闪光灯70。在图6中，图3和图5中的相同标号被用来表示相似的元件。与图3和图5的电子闪光灯20和64相似，电子闪光灯70包括衬底44、密封剂48以及衍射光学层50。但是，电子闪光灯70包括三个例如LED管芯的光源72，74和76，它们发射不同颜色的光以产生白光。例如，光源72，74和76可以分别是发射当混合时产生白光的红光、绿光和蓝光的红光、绿光和蓝光LED管芯。
在工作时，光源72，74和76发射不同颜色的光(例如红光、绿光和蓝光)，以产生白色闪光。所发出的光的一部分被直接朝向衍射光学层50发射，而所发出的光的一部分被离开衬底44的反射杯52朝向衍射光学层反射。然后，所发出的光被衍射光学层50从圆形辐射图案转变为矩形辐射图案，于是由电子闪光灯70产生的合成白色闪光将具有矩形辐射图案。
参考图7描述根据本发明的实施例的产生闪光的方法。在方框702中，在电子闪光灯中产生光。该光可以由诸如红光、绿光、蓝光或白光LED管芯之类的LED管芯产生。接着，在方框704中，使用电子闪光灯的衍射光学元件对光进行衍射，使得从衍射光学元件发出的光的辐射图案成为矩形的，以产生具有矩形辐射图案的闪光。
虽然已经描述和示出了本发明的具体实施例，但是本发明不限于如上描述和示出的部件的具体形式或布置。本发明的方法由所附权利要求和其等同物来限定。

Claims (20)

1.一种用于产生闪光的电子闪光灯，所述电子闪光灯包括：
衬底；
附接到所述衬底的光源，所述光源被配置来发射光；和
光学耦合到所述光源的衍射光学元件，所述衍射光学元件被配置来衍射从所述光源发射出的所述光，使得从所述衍射光学元件发射出的所述光的辐射图案成矩形，以产生具有矩形辐射图案的闪光。
2.如权利要求1所述的闪光灯，其中，所述光源包括发光二极管管芯。
3.如权利要求1所述的闪光灯，其中，所述衍射光学元件包括衍射全息膜，以产生具有所述矩形辐射图案的所述闪光。
4.如权利要求1所述的闪光灯，其中，所述衍射光学元件包括衍射漫射器，以产生具有所述矩形辐射图案的所述闪光。
5.如权利要求1所述的闪光灯，还包括光学耦合到所述光源的波长移动区域，所述波长移动区域包括光致发光材料，以将所述光的一部分转变成更长波长的光。
6.如权利要求5所述的闪光灯，其中，所述光致发光材料包括荧光有机染料、无机磷光体、有机磷光体、混杂磷光体、纳米磷光体或者量子点中的至少一种。
7.如权利要求1所述的闪光灯，还包括发射光的附加光源。
8.如权利要求7所述的闪光灯，其中，所述光源是发射红光的发光二极管管芯，并且其中，每个所述附加光源都是发射绿光和蓝光中的一种的发光二极管管芯。
9.如权利要求1所述的闪光灯，还包括位于所述光源和所述衍射光学元件之间的透镜，所述透镜被配置来聚焦来自所述光源的所述光，以缩窄所述光的视角。
10.如权利要求9所述的闪光灯，其中，所述透镜具有面向所述光源的凹面。
11.一种成像装置，包括：
衬底；
附接到所述衬底的光源，所述光源被配置来发射光；
光学耦合到所述光源的衍射光学元件，所述衍射光学元件被配置来衍射从所述光源发射出的所述光，使得从所述衍射光学元件发射出的所述光的辐射图案成矩形，以产生具有矩形辐射图案的闪光；和
图像传感器，所述图像传感器被配置以利用具有所述矩形辐射图案的所述闪光来电子地摄取感兴趣的场景的图像。
12.如权利要求11所述的成像装置，其中，所述衍射光学元件是衍射全息膜，以产生具有所述矩形辐射图案的所述闪光。
13.如权利要求11所述的成像装置，其中，所述衍射光学元件是衍射漫射器，以产生具有所述矩形辐射图案的所述闪光。
14.如权利要求11所述的成像装置，还包括光学耦合到所述光源的波长移动区域，所述波长移动区域包括光致发光材料，以将所述光的一部分转变成更长波长的光。
15.如权利要求14所述的成像装置，其中，所述光致发光材料包括荧光有机染料、无机磷光体、有机磷光体、混杂磷光体、纳米磷光体或者量子点中的至少一种。
16.如权利要求11所述的成像装置，其中，所述光源包括发光二极管管芯。
17.如权利要求11所述的成像装置，还包括位于所述光源和所述衍射光学元件之间的透镜，所述透镜被配置来聚焦来自所述光源的所述光，以缩窄所述光的视角。
18.一种用于产生闪光的方法，所述方法包括：
在电子闪光灯内产生光；和
利用所述电子闪光灯的衍射光学元件衍射所述光，使得从所述衍射光学元件发射出的所述光的辐射图案成矩形，以产生具有矩形辐射图案的闪光。
19.如权利要求18所述的方法，还包括利用光致发光材料将所述光中的一部分转变为更长波长的光。
20.如权利要求18所述的方法，还包括在由所述衍射光学元件衍射所述光之前，聚焦所述光以缩窄所述光的视角。
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