CN102789114A - 一种可见-红外双通摄像机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了可见-红外双通摄像机，包括：成像设备、红外光路通路、可见光光路通路、FPA芯片、可见光读取光路和光学接收器；成像设备包括：可见-红外成像物镜镜头，可见-红外成像物镜镜头包括：分光器件；成像设备将分光器件分光得到的红外光通过红外光通路成像在FPA芯片上，可见光读取光路读取FPA芯片上的图像信息，并将图像信息反应在光学接收器上；成像设备将分光器分光得到的可见光通过可见光光路通路成像在光学接收器上。本发明实施例公开的可见-红外双通摄像机，通过分光器件实现可见光和红外光在光路空间上的分离，并利用FPA芯片实现红外光成像，通过可见光读取光路读取成像信息后在光学接收器上显示，降低了***成本，同时降低了功耗。
Description
技术领域
本发明涉及摄像仪器技术领域，尤其涉及一种可见-红外双通摄像机。
背景技术
随着监控及摄像***在商用民用领域内的日渐普及，红外摄像机(监控摄像头)被广泛应用在各个领域，为社会治安保驾护航。对于每个不同的应用领域，需要有不同类型的监控摄像机来满足要求。随着大众对监控产品要求要求诸如实现全天候24小时监控、价格便宜等方面的要求越来越高，为适应市场需求的变化，厂商竞相发展可见和红外日夜双用摄像机。
目前国内的日夜两用摄像机仍需配备一定的照明器材或红外设备，利用能同时对红外光和可见光成像的光路***和对红外和可见光均有响应的接收器进行探测，实现主动式红外图像视频采集。上述设计结果使得***整体的功耗增大，在设计及加工时候需要考虑由于红外光造成的对光路***的影响，大大增加了光路主体的成本。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种可见-红外双通摄像机，其具体方案如下所示：
一种可见-红外双通摄像机，包括：成像设备、红外光路通路、可见光光路通路、红外焦平面阵列FPA芯片、可见光读取光路和光学接收器；
其中，所述成像设备包括：可见-红外成像物镜镜头，所述可见-红外成像物镜镜头包括：将可见光和红外光在光路空间上相分离的分光器件；
所述成像设备将所述分光器件分光得到的红外光通过所述红外光通路成像在所述FPA芯片上，所述可见光读取光路读取所述FPA芯片上的图像信息，并将所述图像信息反应在所述光学接收器上；
所述成像设备将所述分光器分光得到的可见光通过所述可见光光路通路成像在所述光学接收器上。
优选的，所述分光器件包括：双带通滤光片，所述双带通滤波光片为能够在光路中移入或移出的红外光滤波片和可见光滤波片；
当所述红外光滤波片移入光路中，所述可见光滤波片移出光路时，所述成像设备、红外光路通路、FPA芯片、可见光读取光路和光接收器组成红外光光路；
当所述可见光滤波片移入光路中，所述红外光滤波片移出光路时，所述成像设备、可见光光路通路、可见光读取光路和光学接收器组成可见光光路。
优选的，所述成像设备还包括：能够透射红外光同时反射可见光的远红外-可见滤波片；
将透过所述远红外-可见滤波片的红外光光束成像在所述FPA芯片上的可见-红外成像目镜镜头。
优选的，所述可见光光路通路包括：可见光带通滤光片和直角反射棱镜；
所述直角反射棱镜的透射表面镀有增透膜，两个反射面镀有增反膜层。
优选的，所述红外光路通路包括：
带有小孔点光源滤波器的非相干面阵光源，所述非相干面阵光源经过所述小孔滤波形成一个点光源；
将所述点光源发出的光变为平行光的准直透镜。
优选的，所述可见光读取光路包括：立方分光棱镜、傅里叶变换透镜、频谱滤波器和成像镜头，其中：
所述立方分光棱镜表面镀有与所述点光源波长对应的半反半透膜层；
所述傅里叶变换透镜用于实现图像与频谱的转换，在一倍于所述傅里叶变换透镜焦距的距离处将所述FPA芯片上的图像的光强信息转换为频谱信息；
所述频谱滤波器上设置有能够在与光路垂直方向上平动的平移结构，当所述红外光滤波片移入光路组成红外光路时，所述频谱滤波器通过所述平移结构移入光路，接收所述傅里叶变换透镜转换后的频谱信息，并将其滤波后通过成像镜头在所述光学接收器上成像，当所述可见光滤波片移入光路组成可见光光路时，所述频谱滤波器通过所述平移结构移出所述光路。
优选的，所述FPA芯片与所述傅里叶变换透镜之间的距离，和，所述傅里叶变换透镜与所述频谱滤波器之间的距离，均为所述傅里叶变换透镜的焦距；
所述频谱滤波器与所述成像镜头之间的距离，和，所述成像镜头与所述光学接收器之间的距离，均为所述成像镜头的焦距。
从上述的技术方案可以看出，本发明实施例公开的可见-红外双通摄像机，通过设置于可见-红外成像物镜镜头内的分光器件实现可见光和红外光在光路空间上的分离，并利用FPA芯片实现红外光成像，通过可见光读取光路读取成像信息后在光学接收器上显示，从而使得红外光的成像过程可以利用只对可见光进行响应的光学接收器，无需采用对红外光和可见光均有响应的接收器进行探测，无需考虑红外光对光路***的影响因素，降低了***成本，同时降低了功耗。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本实施例公开的可见-红外双通摄像机的结构示意图；
图2为本实施例公开的又一可见-红外双通摄像机的结构示意图；
图3为本实施例公开的又一可见-红外双通摄像机的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明是实施例公开的可见-红外双通摄像机，其结构如图1所示，包括：成像设备11、红外光路通路12、可见光光路通路13、红外焦平面阵列FPA芯片14、可见光读取光路15和光学接收器16。
其中，所述成像设备11包括：可见-红外成像物镜镜头，所述可见-红外成像物镜镜头包括：将可见光和红外光在光路空间上相分离的分光器件，成像设备11将所述分光器件分光得到的红外光通过所述红外光通路成像在所述FPA芯片上，所述可见光读取光路读取所述FPA芯片上的图像信息，并将所述图像信息反应在所述光学接收器上；成像设备将所述分光器分光得到的可见光通过所述可见光光路通路成像在所述光学接收器上。
本实施例中的FPA芯片是基于热机械原理的双材料芯片，经真空腔封装且恒温处理，以便对芯片进行温度控制，保护其不受外界环境温度的影响，从而更好的保证其机械响应是针对监控目标的热辐射的，减少由于外界其他原因导致的机械形变，从而使FPA芯片的热机械形变能够更好的反映出监控目标自身的情况，提高了成像的准确性。光学接收器为只对可见光进行相应的光学接收器。
本实施例公开的可见-红外双通摄像机，通过设置于可见-红外成像物镜镜头内的分光器件实现可见光和红外光在光路空间上的分离，并利用FPA芯片实现红外光成像，通过可见光读取光路读取成像信息后在光学接收器上显示，从而使得红外光的成像过程可以利用只对可见光进行响应的光学接收器，无需采用对红外光和可见光均有响应的接收器进行探测，降低了***成本，同时降低了功耗。
进一步的，由于不同的光线对应不同的光路，解决了现有技术中采用同时对红外光和可见光成像的光路***时对光路***的高标准的要求，降低了光路元件的加工难度及成本。
本发明实施例公开的又一可见-红外双通摄像机的结构如图2所示，包括：成像设备21、红外光路通路22、可见光光路通路23、红外焦平面阵列FPA芯片24、可见光读取光路25和光学接收器26。
其中，成像设备21包括可见-红外成像物镜镜头211，可见-红外成像物镜镜头211中的分光器件包括：双带通滤光片，该双带通滤光片为能够在光路中移入或移出的红外光滤波片和可见光滤波片，当所述红外光滤波片移入光路中，所述可见光滤波片移出光路时，所述成像设备、红外光路通路22、FPA芯片24、可见光读取光路25和光接收器26组成红外光光路；当所述可见光滤波片移入光路中，所述红外光滤波片移出光路时，所述成像设备、可见光光路通路23、可见光读取光路24和光学接收器26组成可见光光路。
成像设备21还包括：远红外-可见滤波片212和可见-红外成像目镜镜头213。远红外-可见滤波片212能够透射红外光同时反射可见光，能够透射8-14um红外光的同时反射可见光；可见-红外成像目镜镜头213将透过所述远红外-可见滤波片的红外光光束成像在所述FPA芯片24上，将经所述远红外-可见滤波片212反射的可见光成像在所述光学接收器26。
进一步的，可见光光路通路23包括：可见光带通滤光片231和直角反射棱镜232；所述直角反射棱镜232的透射表面镀有增透膜，两个反射面镀有增反膜层。
所述红外光路通路22包括：非相干面阵光源221和准直透镜222，非相干面阵光源221带有小孔点光源滤波器，所述非相干面阵光源221经过所述小孔滤波形成一个点光源；准直透镜222将所述点光源发出的光变为平行光。
可见光读取光路25包括：立方分光棱镜251、傅里叶变换透镜252、频谱滤波器253和成像镜头254。立方分光棱镜251将直角反射棱镜反射并透射的光做空间折转，使得可见光能够通过可见光读取光路最终由光接收器接收，并且，将可见光读取光路中的准直光做空间折转后入射到FPA芯片上，同时芯片的反射光能够再次通过立方分光棱镜进入可见光读取光路并最终由光接收器接收。该元件在实现其基本功能的同时大大压缩了光路，减小了***体积。傅里叶变换透镜252实现图像与频谱的转换，在一倍于所述傅里叶变换透镜焦距的距离处，即频谱滤波器253的频谱面上，将FPA图像的光强信息转换为频谱信息，频谱滤波器253上设置有能够在与光路垂直方向上平动的平移结构，当所述红外光滤波片移入光路组成红外光路时，所述频谱滤波器253通过所述平移结构移入光路，接收所述傅里叶变换透镜252转后的频谱信息，并滤除从FPA框架部分反射回来的频率异于反射面频谱的光，然后将滤波后的光线通过成像镜头244在所述光学接收器26上成像，理想情况下相同频谱的光线交于一点，但是实际光路中为一个光斑，不同的角度即空间频率入射的光在频谱处位于不同位置，由于FPA存在热机械形变，各像素通过吸收热发生一定角度的偏转，则其频谱位置随着温度的变化也会发生一定的位移，那么经过频谱滤波器253之后的光强就会发生变化，此变化会由光接收器26接收到，并对FPA的热致形变做光强复原，得出红外图像。当所述可见光滤波片移入光路组成可见光光路时，所述频谱滤波器253通过所述平移结构移出所述光路，不对可见光进行处理，可见光直接通过成像镜头在光学接收器上成像。
上述结构中，FPA芯片24、傅里叶变换透镜252、频谱滤波器253、成像镜头254和光学接收器26之间组成典型的4f***。其中，FPA芯片24与傅里叶变换透镜252之间的距离，和傅里叶变换透镜252与频谱滤波器253之间的距离为傅里叶变换透镜252的焦距，所述频谱滤波器253与所述成像镜头254之间的距离，和，所述成像镜头254与所述光学接收器26之间的距离，为所述成像镜头254的焦距。
本实施例公开的可见-红外双通摄像机的工作原理如下所述：
本实施例中，当红外光滤波片移入光路中，所述可见光滤波片移出光路时，具有红外光滤波片的可见-红外成像物镜镜头211、远红外-可见滤波片212、可见-红外成像目镜镜头213、FPA芯片24、非相干面阵光源221、准直透镜222、立方分光棱镜251、傅里叶变换透镜252、频谱滤波器253、成像镜头254和光接收器26组成红外光光路，该光路可在夜视功能或可见光微弱的环境下工作，此时可见-红外成像物镜镜头211的红外光滤波片将红外光通过。远红外-可见滤波片212将红外光进行透射，利用可见-红外成像目镜镜头213在FPA芯片24成像，非相干面光源221经过小孔滤波器后形成点光源，点光源的光束经过准直透镜后，变为准直平行光束，经立方分光镜251偏转入射到FPA芯片24上，由于FPA芯片24的背面由于吸收红外光而产生热效应，从而使得基于双材料的悬臂梁的反射面会产生一定角度的偏移，因此，经过该反射面反射的光束会产生一定角度的偏移，傅里叶变换透镜252将接收的具有角度偏移的光束的频谱成在频谱滤波器253所在位置的频谱面上，频谱滤波器253能够滤除掉从FPA框架部分反射回来的频率异于反射面频谱的光，并且当光束角度发生偏移时，由于其频谱位置会随着角度的变化而移动，那么能够通过该滤波器253的光通量也会随之发生相应的变化，从而导致光学接收器26接收到的光强信号与其参考时间点，即没有发生角度变化时采集的图像相比，产生了灰度级变化，利用该灰度级变化，即可得到红外光成像。
当可见光滤波片移入光路中，红外光滤波片移出光路时，具有可见光滤波片的可见-红外成像物镜镜头211、远红外-可见滤波片212、可见-红外成像目镜镜头213、可见光带通滤光片231、直角反射棱镜232、立方分光棱镜251、傅里叶变换透镜252、成像镜头254和光接收器26组成可见光光路。可见-红外成像物镜镜头211的可见光滤波片通过可见光，可见光经由远红外-可见滤波片212反射后经过可见光带通滤光片231，保留与非相干面阵光源波长相同的可见光，滤除其他波长的可见光，将得到的可见光通过直角反射棱镜232的两次反射之后，透射至立方分光棱镜251，经其反射后，通过傅里叶变换透镜252、成像镜头254最终在光接收器26上成像。
由上述工作原理可以看出，上述两个光路在不同环境和时间段下工作，当白天光线较好的情况下进行成像观测时，则将可见-红外成像物镜镜头211的可见光滤波片移入光路；当红外夜视功能开启时，可见-红外成像物镜镜头211的红外光滤波片移入光路，让红外线进入，通过双带通滤波片的转换操作实现日夜双视功能。
本实施例并不限定分光器件为双带通滤光片，其还可以为光栅、棱镜等能够进行分光的器件。
基于上述工作原理，本发明实施例公开的又一可见-红外双通摄像机的结构如图3所示，其基本结构与图2所示相同，只是由于滤波片的通光和反光的频率范围不同而进行了相应的调整。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (7)
1.一种可见-红外双通摄像机，其特征在于，包括：成像设备、红外光路通路、可见光光路通路、红外焦平面阵列FPA芯片、可见光读取光路和光学接收器；
其中，所述成像设备包括：可见-红外成像物镜镜头，所述可见-红外成像物镜镜头包括：将可见光和红外光在光路空间上相分离的分光器件；
所述成像设备将所述分光器件分光得到的红外光通过所述红外光通路成像在所述FPA芯片上，所述可见光读取光路读取所述FPA芯片上的图像信息，并将所述图像信息反应在所述光学接收器上；
所述成像设备将所述分光器分光得到的可见光通过所述可见光光路通路成像在所述光学接收器上。
2.根据权利要求1所述的摄像机，其特征在于，所述分光器件包括：双带通滤光片，所述双带通滤波光片为能够在光路中移入或移出的红外光滤波片和可见光滤波片；
当所述红外光滤波片移入光路中，所述可见光滤波片移出光路时，所述成像设备、红外光路通路、FPA芯片、可见光读取光路和光接收器组成红外光光路；
当所述可见光滤波片移入光路中，所述红外光滤波片移出光路时，所述成像设备、可见光光路通路、可见光读取光路和光学接收器组成可见光光路。
3.根据权利要求2所述的摄像机，其特征在于，所述成像设备还包括：能够透射红外光同时反射可见光的远红外-可见滤波片；
将透过所述远红外-可见滤波片的红外光光束成像在所述FPA芯片上的可见-红外成像目镜镜头。
4.根据权利要求3所述的摄像机，其特征在于，所述可见光光路通路包括：可见光带通滤光片和直角反射棱镜；
所述直角反射棱镜的透射表面镀有增透膜，两个反射面镀有增反膜层。
5.根据权利要求4所述的摄像机，其特征在于，所述红外光路通路包括：
带有小孔点光源滤波器的非相干面阵光源，所述非相干面阵光源经过所述小孔滤波形成一个点光源；
将所述点光源发出的光变为平行光的准直透镜。
6.根据权利要求4所述的摄像机，其特征在于，所述可见光读取光路包括：立方分光棱镜、傅里叶变换透镜、频谱滤波器和成像镜头，其中：
所述立方分光棱镜表面镀有与所述点光源波长对应的半反半透膜层；
所述傅里叶变换透镜用于实现图像与频谱的转换，在一倍于所述傅里叶变换透镜焦距的距离处将所述FPA芯片上的图像的光强信息转换为频谱信息；
所述频谱滤波器上设置有能够在与光路垂直方向上平动的平移结构，当所述红外光滤波片移入光路组成红外光路时，所述频谱滤波器通过所述平移结构移入光路，接收所述傅里叶变换透镜转换后的频谱信息，并将其滤波后通过成像镜头在所述光学接收器上成像，当所述可见光滤波片移入光路组成可见光光路时，所述频谱滤波器通过所述平移结构移出所述光路。
7.根据权利要求4或5所述的摄像机，其特征在于，所述FPA芯片与所述傅里叶变换透镜之间的距离，和，所述傅里叶变换透镜与所述频谱滤波器之间的距离，均为所述傅里叶变换透镜的焦距；
所述频谱滤波器与所述成像镜头之间的距离，和，所述成像镜头与所述光学接收器之间的距离，均为所述成像镜头的焦距。
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