CN208369689U - 一种分光摄像装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种分光摄像装置，包括壳体和镜片组以及其它标准镜头组件构成的镜头部分，其特征在于：该装置还包括置于所述壳体内且安装在棱镜固定装置上的将入射光线分光成多道不同波段子光线的分光棱镜；所述分光棱镜为立方体，由若干棱镜拼接而成；置于所述壳体内且环绕在所述分光棱镜周围的用于接收不同波段子光线的传感器，该传感器的数量与子光线的数量相同。本实用新型具有高灵敏度、高像素分辨率的特点。

Description

一种分光摄像装置

技术领域

本实用新型涉及电子摄像机领域，尤其涉及一种分光摄像装置。

背景技术

在弱光下拍摄效果对当前的电子摄像机来说是个巨大的挑战。一般来说，为了在弱光学获得较好的拍摄效果普遍采取的途径有两个：一、增大曝光量，也就是增加信号强度。采取的措施包括增大镜头、增大光圈、长时间曝光等等，或者干脆进行人工补光。第二种就是增大传感器的灵敏度，增大感光像元的尺寸等等。以上方法各有各的局限性。对于镜头来说，理论上可以无限制增大镜头光圈来获取足够的进光量，但实际上考虑镜头品质、材料限制以及加工精度等等，镜头的相对光圈的大小是有极限的，通过镜头来一劳永逸地解决问题是不可能的，尤其是焦距越小的时候，镜头的有效光圈也就越小。而增大曝光时间不适合与高速移动的场景拍摄，否则图像的拖尾现象会非常明显。最后就是人工补光的方法，但是并不是任何场所都可以进行人工补光，由于光强的衰减速度跟距离的三次方成正比，所以补光方案在一段时间内只适用于近距离操作。而另一方面，人工补光造成的光污染问题也大大限制了这一方法的使用。因此，当需要进行近距离高速抓拍，而又不允许进行补光的时候，在光学方面目前缺乏好的解决方案。

另一个解决途径就是增大传感器的灵敏度。这是目前元器件厂商的一个重要技术竞争点，不断推陈出新的低照度图像传感器，不断增强弱光下的拍摄效果。然而，电子器件的技术更新速度远远跟不上应用的需求，而且高灵敏度的图像传感器的设计制造本身也存在许多矛盾。目前的电子传感器普遍采用像元作为感光的最小单元。像元的材料和面积决定了传感器的灵敏度。在材料没有进步的情况下，增大像元面积可以增大灵敏度。但是，现在的传感器既要追求高灵敏度也要追求高分辨率，在传感器整体尺寸不变的情况下，增大图像分辨率必然降低灵敏度，反之亦然。所以，目前来说，弱光低照度下高分辨率、高灵敏度的图像传感器也是很难做出来的。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种高灵敏度、高像素分辨率的分光摄像装置。

为解决上述问题，本实用新型所述的一种分光摄像装置，包括壳体和镜片组以及其它标准镜头组件构成的镜头部分，其特征在于：该装置还包括

——置于所述壳体内且安装在棱镜固定装置上的将入射光线分光成多道不同波段子光线的分光棱镜；所述分光棱镜为立方体，由若干棱镜拼接而成；

——置于所述壳体内且环绕在所述分光棱镜周围的用于接收不同波段子光线的传感器，该传感器的数量与子光线的数量相同。

所述镜片组的后焦距大于等于15mm。

所述传感器为单色传感器，传感器的每个像元的像素点均为同一种颜色的感光点。

所述镜片组2与所述分光棱镜之间设有反射式滤波片，该反射式滤波片的一端通过滤波片固定装置Ⅰ与所述分光棱镜相连，其另一端通过滤波片固定装置Ⅱ与所述镜片组相连。

所述壳体内设有红外光传感器。

所述分光棱镜包括第一光学反射面和第二光学反射面，且所述第一光学反射面与所述第二光学反射面相交。

所述第一光学反射面包括第一镀膜平面和第二镀膜平面。

所述第二光学反射面包括第三镀膜平面和第四镀膜平面。

本实用新型与现有技术相比具有以下优点：

1、本实用新型中设有分光棱镜，该棱镜可将入射光线分光成多道不同波段子光线。

2、本实用新型在不增加镜头、不增大镜头进光量的情况下，增加了传感器的数量，等同于增大了传感器面积；合成成像的情况下，不考虑传感器的灵敏度提高，单纯增加了传感器的面积，其灵敏度也增加了。

3、在传统的彩色传感器上，每一个像素划分为若干子像元，每个像元只对对应颜色波段的光线感光，对光能量的利用率十分有限，而在本实用新型中每颗传感器每个像素的像元都只对同一种颜色的光线感光，大大增强了对光线的能量利用率。

附图说明

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1为本实用新型的分光棱镜示意图。

图2为本实用新型实施例1结构示意图。

图3为本实用新型实施例2结构示意图。

图中：1—壳体；2—镜片组；101—第一子光线；102—第二子光线；103—第三子光线；104—第四子光线；201—分光棱镜；202—第一光学反射面；203—第二光学反射面；204—棱镜固定装置；301—第一传感器；302—第二传感器；303—第三传感器；304—第一固定装置；305—第二固定装置；306—第三固定装置；401—滤波片固定装置Ⅰ；402—滤波片固定装置Ⅱ；403—反射式滤波片；404—第四固定装置；405—第四传感器；G1—第一镀膜平面；G2—第二镀膜平面；B1—第三镀膜平面；B2—第四镀膜平面；S1—进光面；S2—红色光线的出射方向；S3—绿色光线的出射方向；S4—蓝色光线的出射方向；K1—第一三棱镜；K2—第二三棱镜；K3—第三三棱镜；K4—第四三棱镜；K5—胶合平面。

具体实施方式

一种分光摄像装置，包括壳体1和镜片组2以及其它标准镜头组件构成的镜头部分。该装置还包括

——置于壳体1内且安装在棱镜固定装置204上的将入射光线分光成多道不同波段子光线的分光棱镜201；分光棱镜201为立方体，由若干棱镜拼接而成；

——置于壳体1内且环绕在分光棱镜周围的用于接收不同波段子光线的传感器，该传感器的数量与子光线的数量相同。

其中：镜片组2的后焦距大于等于15mm。

传感器为单色传感器，传感器的每个像元的像素点均为同一种颜色的感光点。

镜片组2与分光棱镜201之间设有用于反射入射光线中红外光的反射式滤波片403，该反射式滤波片403的一端通过滤波片固定装置Ⅰ401与分光棱镜201相连，其另一端通过滤波片固定装置Ⅱ402与镜片组2相连。

壳体1内设有用于接收被反射的红外光的红外光传感器。

分光棱镜201包括第一光学反射面202和第二光学反射面203，用于反射特定波长的光线，使入射光线分成多道不同波段的子光线，且第一光学反射面202与第二光学反射面203相交。

第一光学反射面202包括第一镀膜平面G1和第二镀膜平面G2。

第二光学反射面203包括第三镀膜平面B1和第四镀膜平面B2。

具体而言，分光棱镜201通过第一光学反射面202和第二光学反射面203，根据红蓝绿三基色，将入射光线分为三道子光线，包含第一子光线、第二子光线和第三子光线，三道子光线分别代表红绿蓝三基色光谱，分光棱镜201为标准立方体结构，由4块等大的三棱镜胶合拼接而成，这四块三棱镜分别是图1中的第一三棱镜K1、第二三棱镜K2、第三三棱镜K3和第四三棱镜K4，编号K5所示的”X”型虚线即为4块棱镜的胶合平面。G1、G2、B1和B2为4个反射膜镀膜平面。在本方案中，G1和G2镀绿光反射膜，B1和B2镀蓝光反射膜。其它，可根据需要安排G1、G2、B1和B2这4个面的反射膜膜系。箭头方向为光线的传播方向。表面S1是进光面，对着镜头方向，表面S2、S3和S4分别为红绿蓝三基色光线的出射方向，各自对应一块相应颜色的图像传感器，分光棱镜201被固定装置固定于相机内部，镜头和传感器环绕排列在分光棱镜201周围。

实施例1 如图1、图2所示，摄像装置包含镜头部分、分光系统、几何光路结构示意、若干单色传感器、系统配套的机械外壳和固定装置。

首先是镜头部分，镜头包含完整的壳体1、装配螺纹、后焦调节螺圈和其他标准镜头组件，并且镜头还包括镜片组2，镜片组2为若干片镜片的组合，镜头采用的大后焦镜头，后焦距离大于等于15mm，以便有足够的空间安排光学器件和传感器搭建分光系统。

第二个部分是本装置的分光系统，包括分光棱镜201，分光棱镜201是分光系统的主体，结构上是一颗标准立方体，包含的第一光学反射面202和第二光学反射面203，并且第一光学反射面202和第二光学反射面203均与镜头主光轴呈45°角，第一光学反射面202和第二光学反射面203分别为单色反射面，只反射特定颜色光谱的光线，比如中心波长为450nm的蓝光，中心波长为530nm的绿光或者630nm中心波长的红光等，具体范围按照应用需求选取，反射面只反射固定波段的光线，其它波段则能够高效的透过反射面，分光棱镜201通过固定装置204固定其位置。

参见图2中的几何光路结构示意，从镜头入射的可见光包含肉眼可见的全波段的光谱，在本实施例中，将全部的光线按照红绿蓝三基色划分为三个波段，分别为第一子光线101、第二子光线102和第三子光线103，成像镜头将光线汇聚到分光棱镜上，其中两路光线被镀有膜层第一光学反射面202和第二光学反射面203以45°角反射，另一路则直接投射。这样，从镜头进来的光线被分光系统中的分光棱镜201分成红绿蓝三束，并被投射到三个方向。

最后是本装置的单色传感器组。在分光棱镜201的左侧、右侧和下方个包含一个单色传感器，分别是第一传感器301、第二传感器302和第三传感器303，同时各自搭配一块电路板固定装置分别对应第一固定装置304、第二固定装置305和第三固定装置306，并在没有合适的单色传感器可用时，可以采用黑白传感器代替，只需要将对应颜色通道的图像按照对应的色彩翻译即可。传统的彩色传感器每个成像像素点包含4个子像元，分别是2红1绿1蓝总计4个感光点。而在本案中，由于光线被分光系统分成了红绿蓝三束独立的部分，即：第一子光线101、第二子光线102和第三子光线103分别代表红绿蓝三基色光谱。每个传感器只需要对对应的颜色波段的光线感光既可以。因此被设计为单色传感器，三颗传感器分别只对红色、绿色和蓝色感光。每个像元的4个像素点统一为一种颜色的感光点即可。

本实施例中的优势包含两点：第一，在不增加镜头，不增大镜头进光量的情况下，将传感器的数量由一颗变成了3颗，等同于增大了三倍的传感器面积，合成成像的情况下，不考虑传感器的灵敏度提高，单纯增加了传感器的面积，其灵敏度也增加了大约3倍。第二，在彩色传感器上，每一个像素划分为若干子像元，每个像元只对对应颜色波段的光线感光，对光能量的利用率只有正常的1/3。而在本实施例中，每颗传感器每个像素的4个像元都只对同一种颜色的光线感光，能量利用率接近100%。这样，在能量利用效率上，优于传统彩色成像结构3被。总体上来说，本实施例的灵敏度比传统相机最大能增强9倍。9倍的优化效果，在正常亮度下可以用于增强图像分辨率，或者在弱光下增强图片的亮度，由于任何光学系统都不能达到100%的效率，实际应用过程中，本实用新型无法达到理论上的最佳效果。但是，就算光学系统光损耗达到20%，实际效果也比现在的系统强6~7倍，棱镜的光损可以轻易控制在20%以内，事实上，目前成熟的关学元件加工和镀膜技术，分光棱镜201的光损可以轻易控制在20%以内。

实施例2 如图1、图3所示，考虑到红外光对成像色彩的影响，本实施例在镜头下方额外增加了一片反射式红外滤波片，进一步将光线按照波长分成四束子光线，分别对应近红外波段、红光波段、绿光波段和蓝光波段。并且给每一部分的子光线安排一块传感器。

具体如图3所示，镜头包含完整的壳体1、装配螺纹、后焦调节螺圈和其他标准镜头组件，并且镜头还包括镜片组2，镜片组2为若干片镜片的组合，镜头采用的大后焦镜头，后焦距离大于等于15mm，以便有足够的空间安排光学器件和传感器搭建分光系统。

分光系统包含一块反射式滤波片403以及滤波片固定装置Ⅰ401、滤波片固定装置Ⅱ402，其设置在镜头与分光棱镜201之间，反射式滤波片403具体为反射式红外滤波片，其反射面与镜头主光轴呈45°角，反射式红外滤波片截止波长控制在650nm~700nm之间，其将入射光线进行第一次分光处理，将红外部分光线以与入射光线呈90°反射至侧面传感器405接收并成像。反射式红外滤波片可以采用平面式红外滤波片也可以采用立方红外滤波片。平面式滤波片可以节省成本，但需要额外的调整光路进行对焦。而立方红外滤波片则无需调节光路对焦，设计更方便。

分光系统还包括与实施例1相同的分光棱镜201，将可见光分为红光(中心波长为630nm)、蓝光（中心波长为450nm）、绿光（中心波长为530nm）三束子光线，并分往三个方向射出，并分别被对应的单色传感器接受，分光系统将入射光线中可见光部分按照红绿蓝三基色划分为三个波段，第一子光线101、第二子光线102和第三子光线103分别代表红绿蓝三基色光谱，并通过反射式红外滤波片将入射光线分出第四子光线104，其代表红外光谱。

本实施例包含4个传感器，分别是第一传感器301、第二传感器302、第三传感器303和第四传感器405。第一传感器301、第二传感器302、第三传感器303分别为针对第一子光线101、第二子光线102和第三子光线103的红绿蓝三基色光线的单色传感器，第四传感器405为红外传感器，专门用于接收第四子光线104红外成像。并在没有合适的单色传感器可用时，可以采用黑白传感器代替，只需要将对应颜色通道的图像按照对应的色彩翻译即可。同时第一传感器301、第二传感器302、第三传感器303和第四传感器405各自搭配一块电路板固定装置分别对应第一固定装置304、第二固定装置305、第三固定装置306、第四固定装置404。

本实施例的优势在于增加了成像光线利用率的同时，对红外线进行额外的成像处理，可以在不影响色彩还原的情况下，通过图像算法额外增加图像亮度，极适合弱光下使用或者用于高速、高分辨抓拍。同时，由于是按照光谱进行多通道成像，对于图像后处理来说有更多可供选择的应用,可应用于多种技术当中，例如现在比较先进的除玻技术。

Claims (8)

1.一种分光摄像装置，包括壳体（1）和镜片组（2）以及标准镜头组件构成的镜头部分，其特征在于：该装置还包括

——置于所述壳体（1）内且安装在棱镜固定装置（204）上的将入射光线分光成多道不同波段子光线的分光棱镜（201）；所述分光棱镜（201）为立方体，由若干棱镜拼接而成；

——置于所述壳体（1）内且环绕在所述分光棱镜（201）周围的用于接收不同波段子光线的传感器，该传感器的数量与子光线的数量相同。

2.如权利要求1所述的一种分光摄像装置，其特征在于：所述镜片组（2）的后焦距大于等于15mm。

3.如权利要求1所述的一种分光摄像装置，其特征在于：所述传感器为单色传感器，传感器的每个像元的像素点均为同一种颜色的感光点。

4.如权利要求1所述的一种分光摄像装置，其特征在于：所述镜片组（2）与所述分光棱镜（201）之间设有反射式滤波片（403），该反射式滤波片（403）的一端通过滤波片固定装置Ⅰ（401）与所述分光棱镜（201）相连，其另一端通过滤波片固定装置Ⅱ（402）与所述镜片组（2）相连。

5.如权利要求1所述的一种分光摄像装置，其特征在于：所述壳体（1）内设有红外光传感器。

6.如权利要求1所述的一种分光摄像装置，其特征在于：所述分光棱镜（201）包括第一光学反射面（202）和第二光学反射面（203），且所述第一光学反射面（202）与所述第二光学反射面（203）相交。

7.如权利要求6所述的一种分光摄像装置，其特征在于：所述第一光学反射面（202）包括第一镀膜平面（G1）和第二镀膜平面（G2）。

8.如权利要求6所述的一种分光摄像装置，其特征在于：所述第二光学反射面（203）包括第三镀膜平面（B1）和第四镀膜平面（B2）。