DE102010061512B4

DE102010061512B4 - Bilderfassungsvorrichtung, Verfahren zum Erfassen von Bildern unter Verwendung von Infrarotlicht oder sichtbarem Licht und computerlesbares Medium

Info

Publication number: DE102010061512B4
Application number: DE102010061512.9A
Authority: DE
Inventors: Philip Alan Bunker; Mark Nelson; Jeffrey B. Lancaster; Todd Webb; Ting Chia Hsu; Eva Tai
Original assignee: Logitech Europe SA
Current assignee: Logitech Europe SA
Priority date: 2010-07-29
Filing date: 2010-12-23
Publication date: 2017-08-31
Anticipated expiration: 2030-12-24
Also published as: CN102346358A; DE102010061512A1; US9091903B2; US20120026325A1; CN202159217U

Abstract

Bilderfassungsvorrichtung mit: einem Gehäuse mit einer Blendenöffnung; einer Linse zum Sammeln von Licht, welches durch die Blendenöffnung hindurchgelassen wird; einem Sensor zum Empfangen des gesammelten Lichtes; und einem an das Gehäuse gekoppelten Infrarot-Filter zum Blockieren von Infrarot-Licht, wobei das Infrarot-Filter von einer ersten Lage in eine zweite Lage beweglich ist, wobei in der ersten Lage das Infrarot-Filter das Infrarot-Licht am Erreichen des Sensors hindert, und in der zweiten Lage dem Infrarot-Licht das Erreichen des Sensors gestattet, wobei die Linse und das Infrarot-Filter derart eingerichtet und aufeinander abgestimmt sind, dass in einem ersten Modus, in dem das Infrarotfilter in der ersten Lage ist, sichtbares Licht auf den Sensor fokussiert wird, und in einem zweiten Modus, in dem das Infrarotfilter in der zweiten Lage ist, Infrarotlicht der gleichen Szene auf den Sensor fokussiert wird, während sichtbares Licht der gleichen Szene nicht auf den Sensor fokussiert wird; und einem Prozessor, der im Betrieb im zweiten Modus ermittelt, ob ein erfasstes Bild unscharf ist, und in Antwort darauf veranlasst oder dem Nutzer einen Hinweis gibt, den Infrarot-Filter aus der zweiten Lage in die erste Lage zu bewegen.

Description

HINTERGRUND
1. GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf Kameras und spezieller auf Kameras zum Erzeugen von Bilddaten akzeptabler Qualität unter wechselnden Beleuchtungsbedingungen.
2. BESCHREIBUNG DES VERWANDTEN STANDES DER TECHNIK
Eine der Herausforderung für Bilderfassungsvorrichtungen besteht darin, Bilder akzeptabler Qualität in einer Vielzahl von Lichtbedingungen aufzunehmen. Die meisten Bilderfassungsvorrichtung werden durch Bedingungen mit sehr wenig oder keinem sichtbaren Licht vor Herausforderungen gestellt.
Einige herkömmliche Kameras haben einen „Nachtmodus”, welcher zum Erfassen von Bildern unter schwachen Lichtbedingungen verwendet werden kann. Jedoch erhöhen einige dieser herkömmlichen Kameras in dem „Nachtmodus” lediglich die Belichtungszeit, um unter den Bedingungen schwachen Lichts ausreichend Licht zu sammeln. Solche Kameras weisen mehrere Probleme auf. Zum Einen folgt aus der Erhöhung der Belichtungszeit, dass es länger dauert, jedes einzelne Bild aufzunehmen. Dies kann in einigen Situationen unakzeptabel oder unerwünscht sein, beispielsweise in einer Sicherheits-/Überwachungskamera, bei welcher eine Verzögerung in der Erfassung eines Bildes zu verpassten Informationen führen kann. Auch wenn ein Videostrom erfasst wird, kann dies unerwünscht sein, weil es zu einer niedrigeren Bildfrequenz führt. Darüber hinaus setzt diese Lösung immer noch voraus, dass eine gewisse Menge sichtbaren Lichts vorhanden ist, und wird daher in Umgebungen mit sehr wenig sichtbarem Licht oder überhaupt keinem sichtbarem Licht nicht funktionieren. Andere herkömmliche Kameras können andere Lösungen verwenden, welche ebenso an verschiedenen Problemen leiden und wiederum wenigstens eine bestimmte Menge sichtbaren Lichts erfordern und in Umgebungen mit äußerst wenig oder keinem sichtbaren Licht nicht funktionieren werden.
Es gibt einige Anwendungen, bei denen es wichtig ist, Bilddaten (Video und/oder Standbild) rund um die Uhr zu erzeugen. Eine solche Anwendung ist ein Videoüberwachungskamerasystem. In einer Zeitspanne von 24 Stunden ändern sich die Lichtbedingungen von der Nacht zum Tag und dann wieder vom Tag zur Nacht. Videoüberwachungskameras sind oft in Umgebungen platziert, in denen die sichtbare Beleuchtung nachts sehr niedrig oder nicht vorhanden ist. Es ist deshalb besonders schwierig, unter Nachtbedingungen ein gutes Video herzustellen. Es ist ferner nicht wünschenswert, eine Quelle sichtbaren Lichts an einer Überwachungskamera zu benutzen, denn dies könnte Eindringlinge warnen, Nachbarn stören, usw.
Einige bestehende Überwachungskameras haben Quellen nicht-sichtbaren Lichts, beispielsweise Infrarot(IR)-Beleuchtung unter der Verwendung von IR-LEDs. Infrarot-Beleuchtung ist für das menschliche Auge unsichtbar, so dass die Kamera verborgen bleiben kann und die Nachbarn wesentlich weniger stört. Jedoch haben solche bestehenden Kameras sehr große Bildpunkte, damit sie bei Verwendung von Infrarot keinen schwerwiegenden Bildqualitätsverlust erleiden. Solche Kameras weisen daher eine sehr geringe Auflösung auf und erzeugen deshalb in vielen Beleuchtungsumgebungen Bilder schlechter Qualität, auch wenn sichtbares Licht vorhanden ist.
Infrarot-Licht führt bei normalen (sichtbaren) Beleuchtungsbedingungen zu Problemen. Unter normalen Beleuchtungsbedingungen sind die Linse und der Sensor (Bildwandler) in einer Kamera für Infrarot(IR)-Licht sehr empfindlich. Ein Bildwandler ist aufgrund der längeren Wellenlänge, welche tiefer als sichtbares Licht in das Substrat der Bildwandlervorrichtung eindringt und die Farbe aus der Szene wäscht und dabei ein Schwarz-Weiß-Bild erzeugt, sehr empfindlich für Infrarot-Licht. Dies ist deshalb besonders problematisch, weil in natürlichem Licht zusammen mit dem sichtbaren Licht auch viel Infrarot-Licht enthalten ist.
In qualitativ hochwertigen Kameras sollten in ausreichendem Licht (z. B. tagsüber) aufgenommene Bilder für die Nutzer natürlich erscheinen und gute Farbe und Schärfe aufweisen, während gleichzeitig auch unter den Bedingungen von wenig oder keinem sichtbaren Licht (z. B. nachts ohne ausreichend sichtbares Licht) aufgenommene Bilder eine akzeptable Qualität aufweisen sollten. Bei Kameras, welche in Szenarien mit sehr wenig Licht oder ohne Licht verwendet werden (z. B. nachts in einer schummrig beleuchteten Umgebung oder in einer unbeleuchteten Umgebung), wie beispielsweise Überwachungskameras, ist es besonders wichtig, dass diese Kameras nicht nur in hell erleuchteten Umgebungen gut arbeiten, sondern auch in solchen Umgebungen mit wenig Licht.
Es besteht daher Bedarf nach einer Bilderfassungsvorrichtung, welche nicht nur in gut ausgeleuchteten Umgebungen gut funktioniert, sondern auch in Umgebungen mit sehr wenig oder keinem sichtbaren Licht, und bei welcher die aufgenommenen Bilder unabhängig davon, ob sichtbares Licht vorhanden ist, scharf bleiben. Weiterhin ist eine Bilderfassungsvorrichtung wünschenswert, welche in einer Vielzahl von Umgebungen sichtbaren Lichts arbeiten kann und in einfacher und intuitiver Weise von einem Modus ausreichenden sichtbaren Lichts in einen Modus nicht ausreichenden sichtbaren Lichts geschaltet werden kann. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Bilderfassungsvorrichtung, ein Verfahren und ein computerlesbares Medium mit Instruktionen für den Prozessor einer Bildverarbeitungsvorrichtung anzugeben, die es gestatten, automatisch zu erkennen, wann Beleuchtungsbedingungen vorliegen, die Anlass geben für ein Umschalten zwischen einem Aufnahmemodus mit vorwiegend sichtbarem Licht und einem Aufnahmemodus mit vorwiegend Infrarotlicht, und umgekehrt. Darüber hinaus ist ein Algorithmus erforderlich, um zu bestimmen, ob eine ausreichende Beleuchtung mit sichtbarem Licht vorliegt und wann das nicht der Fall ist. Eine solche Bilderfassungsvorrichtung sollte überdies einen kleinen Formfaktor aufweisen. Weiterhin sollte eine solche Kamera die unterschiedlichen Wellenlängen und Eindringeigenschaften sichtbaren und nicht-sichtbaren Lichts ausgleichen.
Die US 2005/008341 A1 offenbart eine Bilderfassungsvorrichtung mit einem Mechanismus, der es gestattet, ein IR-Sperrfilter auf einer optischen Achse unbeschränkt einzufügen oder zu entfernen. Das IR-Sperrfilter besteht aus einem Filmmaterial oder einem Schichtmaterial. Der Mechanismus wechselt zwischen einem ersten Aufnahmemodus, bei dem das IR-Sperrfilter auf der optischen Achse angeordnet ist, und einem zweiten Aufnahmemodus, bei dem das IR-Sperrfilter von der optischen Achse entfernt ist. Der zweite Modus ist ein Modus für Anwendungen bei geringem Umgebungslicht.
ZUSAMMENFASSUNG
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung umfassen eine Kamera, welche nicht nur in wohl ausgeleuchteten Umgebungen gut funktioniert, sondern auch in Umgebungen mit sehr wenig sichtbarem Licht oder keinem sichtbarem Licht, und bei welcher das Bild unabhängig davon, ob sichtbares oder nicht-sichtbares (Infrarot-)Licht zur Bilderfassung verwendet wird, scharf bleibt. Eine Kamera gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann weiter in einer Vielzahl von Umgebungen mit sichtbarem Licht arbeiten und kann in einer einfachen und intuitiven Weise von einem Modus ausreichenden sichtbaren Lichts in einen Infrarot-Licht-Modus geschaltet werden. Ein Algorithmus gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bestimmt überdies, wann ausreichend sichtbares Licht vorhanden ist und wann dies nicht der Fall ist.
Eine Kamera gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erfasst Bilder unter Verwendung sichtbaren Lichts, wenn ausreichend sichtbares Licht vorhanden ist, und erfasst Bilder unter Verwendung von nicht-sichtbarem Licht (Infrarot-Licht), wenn ausreichend sichtbares Licht nicht vorhanden ist. In einer Ausführungsform umfasst eine solche Kamera ein Infrarot-Filter, welches Infrarot-Licht blockiert. Das Infrarot-Filter kann, je nach den Bedingungen, vor dem Sensor platziert werden oder von vor dem Sensor entfernt werden. Da sichtbares Licht viel Infrarot-Licht umfasst und Infrarot-Licht nicht zu Bildern hoher Qualität führt, wenn auch sichtbares Licht vorhanden ist, wird das Infrarot-Filter in einer Ausführungsform bei Vorliegen sichtbaren Lichts verwendet, um eine zusätzliche Belichtung mit Infrarotlicht zu verhindern. D. h., bei Vorhandensein ausreichenden sichtbaren Lichts wird Infrarot-Licht durch ein Infrarot-Filter auf der Linsenanordnung vor dem Sensor blockiert und hindert daher das Infrarot-Licht am Erreichen des Sensors, während es dem sichtbaren Licht das Erreichen des Sensors ermöglicht. Wenn dieses Infrarot-Blockierfilter an seinem Platz ist, sind jedoch Bedingungen mit wenig oder keinem sichtbaren Licht problematisch, wie vorangehend diskutiert. In einer Ausführungsform ist das IR-Filter daher von dem Linsenstapel entfernbar. Wenn also keine ausreichende Menge sichtbaren Lichts vorhanden ist, wird das Infrarot-Filter von dem Linsenstapel entfernt, so dass Infrarot-Licht den Sensor erreicht und das Bild unter Verwendung von Infrarot-Licht aufgenommen wird. In einer Ausführungsform werden eine oder mehrere Infrarot-Lichtquellen verwendet, um das Infrarot-Licht bereitzustellen. Das Einschalten einer Infrarot-Lichtquelle wahrt die schwache sichtbare Beleuchtung in der Umgebung. Dies ist in einigen Situationen wichtig. Beispielsweise ist es für den Einsatz einer Sicherheitskamera wichtig, die Lichtumgebung nicht zu ändern, um Eindringlinge nicht zu warnen. Andere Beispiele können das Gucken eines Films/das Gucken von Fernsehen in Bedingungen schwachen Lichts umfassen, bei welchem zusätzliches sichtbares Licht für den Nutzer nicht wünschenswert ist.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hat eine Kamera zwei Modi: einen Aufnahmemodus für sichtbares Licht (auch als „Tagesmodus” oder „Modus ausreichenden sichtbaren Lichts” bezeichnet) und einen Infrarot-Aufnahmemodus (auch als „Nachtmodus” oder „nicht-sichtbarer Modus” oder „Modus nicht ausreichenden sichtbaren Lichts” bezeichnet). In einer Ausführungsform ist das IR-Filter in dem Aufnahmemodus für sichtbares Licht auf die Linsenbaugruppe ausgerichtet und/oder ist Teil des Linsenstapels vor dem Sensor. In dem Infrarot-Aufzeichnungsmodus ist das Infrarot-Filter von dem Linsenstapel mechanisch entfernt, und Infrarot-Licht darf zu dem Sender gelangen. In einer Ausführungsform ist in dem Infrarot-Aufnahmemodus die Infrarot-Beleuchtung durch eine Anordnung von Infrarot-LEDs auf der Kamera bereitgestellt, um die Szene auszuleuchten.
In einer Ausführungsform ist das Infrarot-Filter drehbar an ein Gehäuse gekoppelt, so dass es in eine Lage vor dem Sensor gedreht und aus dieser Lage herausgedreht werden kann. In einem solchen drehbaren Mechanismus ist das IR-Filter entfernbar, während es weiterhin sehr wenig Platz beansprucht und auf diese Weise einen kleinen Formfaktor der Kamera zulässt. In einer Ausführungsform ist die Blendenöffnung der Kamera derart ausgebildet, dass sie eine f#2-Linse und ein 1/3''-Bildwandler aufnimmt.
In einer Ausführungsform ist das System derart optimiert, dass sowohl die unter Verwendung von sichtbarem Licht als auch die unter Verwendung von Infrarotlicht aufgenommenen Bilder scharf eingestellt sind. Es sollte beachtet werden, dass Infrarot-Licht und sichtbares Licht unterschiedliche Eigenschaften haben, welche die optische Konfiguration des Kamerasystems beeinflussen. Beispielsweise fokussiert Infrarot-Licht an einem anderen Punkt hinter der Linse. Ferner ist auf einem Mikroniveau die Durchdringungsmenge des Siliziums in dem Sensor durch das Infrarot-Licht verschieden von der Durchdringung durch sichtbares Licht. Gemäß unterschiedlicher Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden verschiedene Anpassungen durchgeführt, um diesen Eigenschaftsunterschieden Rechnung zu tragen. In einer Ausführungsform wird die Dicke des IR-Filters angeglichen, um die Wellenlängenunterschiede auszugleichen. In einer Ausführungsform werden, wenn Lichtquellen nicht-sichtbaren Lichts (z. B. Infrarot-Lichtquellen) bereitgestellt werden, die Wellenlängen dieser Lichtquellen entsprechend ausgewählt. In einer Ausführungsform werden sowohl die Dicke des Infrarot-Filters als auch die Wellenlänge der Infrarot-Lichtquellen geeignet gewählt, um sicherzustellen, dass die aufgenommenen Bilder scharf eingestellt bleiben sowohl, wenn sichtbares als auch wenn Infrarot-Licht verwendet wird, scharf eingestellt bleiben. In einer Ausführungsform werden mehrere Pixel (mittels Binning) zusammengefasst, um den unterschiedlichen Ausbreitungseigenschaften von Infrarot-Licht Rechnung zu tragen.
In einer Ausführungsform kann ein Nutzer bestimmen, wann das sichtbare Licht unzureichend (oder ausreichend) ist und das Infrarot-Filter entfernen (oder platzieren) und/oder die Infrarot-Lichtquelle/-quellen einschalten (oder ausschalten). In der erfindungsgemäßen Ausführungsform wird ein Algorithmus verwendet, um festzustellen, wann das sichtbare Licht unzureichend ist, um Bilder hinreichender Qualität und mit hinreichender Geschwindigkeit zu erfassen. In einer dieser Ausführungen wird dem Nutzer diese Information bereitgestellt, und der Nutzer kann daraufhin entscheiden, ob er das Infrarot-Filter entfernt und/oder die Infrarot-Lichtquelle einschaltet. In einer Ausführungsform werden die Ergebnisse des Algorithmus verwendet, um automatisch und nahtlos ohne Nutzerintervention das Infrarot-Filter zu entfernen und/oder die Infrarot-Lichtquelle/Lichtquellen einzuschalten. In einer Ausführungsform liest der Algorithmus, wenn sich die Kamera in dem Aufnahmemodus für sichtbares Licht befindet, die Register des Sensors aus, und wenn die Register weniger als eine bestimmte Schwelle anzeigen, wird bestimmt, dass ausreichend sichtbares Licht nicht zur Verfügung steht. Die Kamera wird dann in den Infrarot-Aufnahmemodus geschaltet. In dem Infrarot-Aufnahmemodus stellt der Algorithmus fest, ob das Bild scharf gestellt ist. Wenn das Bild unscharf erscheint, wird festgestellt, dass ausreichend sichtbares Licht vorliegt. In einer Ausführungsform muss das Bild für eine vorbestimmte Zeitspanne unscharf bleiben, bevor die Kamera in den Aufnahmemodus für sichtbares Licht geschaltet wird.
KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
Die Erfindung hat weitere Vorteile und Merkmale, welche aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung der Erfindung und den anliegenden Ansprüchen in Zusammenschau mit den anliegenden Figuren verständlicher werden, wobei:
1A ein Blockdiagramm einer Kamera 100 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
1B eine Ansicht einer Kamera gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
1C eine weitere Ansicht einer Kamera gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
1D eine weitere Ansicht einer Kamera gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
1E eine weitere Ansicht einer Kamera gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
2 chromatische Abberation veranschaulicht.
3A auf einen Sensor fokussiertes Infrarot-Licht zeigt.
3B auf einen Sensor fokussiertes sichtbares Licht zeigt, wobei ein Infrarot-Filter platziert ist.
3C zeigt, dass sichtbares Licht auf dem Sensor unscharf ist, wenn das Infrarot-Filter nicht platziert ist.
4 ist ein Flussdiagramm, welches zeigt, wie die Kamera gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung optimiert wird.
5 zeigt, dass die Absorptionstiefe in dem Silizium des Bildwandlers sich mit der Wellenlänge ändert.
6 ist ein Flussdiagramm, welches einen Algorithmus gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
7 zeigt eine Zustandsdiagrammdarstellung eines Algorithmus zum Schalten zwischen einem Aufnahmemodus für sichtbares Licht (oder „Tagesmodus”) und einem Infrarot-Aufnahmemodus (oder „Nachtmodus”) gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
8 ist ein Blockdiagramm eines Systems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Die Figuren (oder Zeichnungen) zeigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung nur zum Zwecke der Veranschaulichung. Es wird bemerkt, dass gleiche oder ähnliche Bezugszeichen in den Figuren gleiche oder ähnliche Funktionalitäten anzeigen können.
Es sollte beachtet werden, dass die Bezeichnung „Kamera” hier jede Art von Bilderfassungsvorrichtung bezeichnet. Eine solche Vorrichtung kann allein Videodaten, allein Standbilder oder beides erfassen. Eine solche Kamera kann zusätzlich auch Audiodaten erfassen. Eine solche Kamera kann weiterhin ein eigenständiges Gerät sein oder kann in eine andere Vorrichtung, wie beispielsweise ein Smartphone, ein Mobiltelefon, einen Organizer (Personal Digital Assistant, PDA), einen Laptopcomputer, einen Tablet-Computer, einen Digitalempfänger (Set-Top Box), eine Fernbedienung usw., integriert sein. Eine solche Kamera kann all die erforderlichen Prozessoren innerhalb derselben physikalischen Vorrichtung umfassen oder kann mit in anderen Vorrichtungen (beispielsweise dem Personal-Computer des Nutzers, entfernt angeordneten Servern, usw.) angeordneten Prozessoren kommunizieren. Die Bezeichnung „Bild” kann sich auf Standbilder, Videobilder oder beides beziehen.
Ein Beispiel, in dem Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung nützlich sind, liegt in Sicherheits-/Überwachungskameras. In Sicherheits-/Überwachungsszenarien sind nachts schwach beleuchtete oder unbeleuchtete Umgebungen üblich. In solchen Anwendungen ist das Ausleuchten der Szene für die Erfassung mit sichtbarem Licht oft auch keine brauchbare Option. Dies kann aus unterschiedlichen Gründen der Fall sein. In einem Wohngebiet kann beispielsweise solch sichtbares Licht die Nachbarn stören. Solch sichtbares Licht kann auch unnötigerweise einen Eindringling warnen, dass eine Videoaufzeichnung stattfindet. In solchen Videoüberwachungsumgebungen ist es oft auch sehr wichtig, mit der Erfassung von Bildinformationen ununterbrochen fortzusetzen, unabhängig von den Beleuchtungsbedingungen.
Ein weiteres Beispiel, bei welchem Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung nützlich sind, ist dann gegeben, wenn der Nutzer einen Film/Fernsehen usw. schaut und nicht viel sichtbares Licht wünscht. Beispielsweise kann ein Nutzer die Beleuchtung gedimmt haben, um auf seinem Rechner oder seinem Fernsehgerät Inhalt zu betrachten (in dem Familienzimmer oder Wohnzimmer), und währenddessen erhält er einen Videoanruf. Dieser Videoanruf kann nach Art einer Bild-in-Bild-Implementation fortgesetzt werden, bei welcher der Videoanruf in einem Fenster fortgesetzt wird, während der betrachtete Inhalt in einem anderen Fenster weiterläuft. Alternativ kann der Nutzer den Inhalt unterbrechen und den Videoanruf annehmen, aber das Beleuchtungsniveau in dem Zimmer dennoch nicht anheben wollen. In einem weiteren Szenario mag der Nutzer den betrachteten Inhalt über ein Videoanruf teilen wollen. Weitere Beispiele umfassen militärische Anwendungen und wissenschaftliche Anwendungen.
Optimiertes bewegliches Infrarot-Filter
1A zeigt ein Blockdiagramm einer Kamera 100 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Kamera umfasst eine Linse 110, ein Infrarot-Filter 120, einen Sensor 140, einen Prozessor 150 und Infrarot-Lichtquellen 160.
Bei der Linse 110 kann es sich um jede Vorrichtung handeln, welche Licht sammelt und auf den Sensor 140 lenkt. Die Linse kann eine einzelne Linse sein oder aus mehreren Linsen bestehen (einen Linsenstapel). In einer Ausführungsform handelt es sich bei der Linse 110 um eine f#2-Linse.
Ein Aspekt von einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung bezieht sich darauf, dass das Infrarot-Filter 120 vor dem Sensor platziert ist (d. h., zwischen dem Sensor und dem erfassten/aufgenommenen Objekt/der erfassten/aufgenommenen Szene) und von dort entfernt wird. Wenn das IR-Filter 120 vor dem Sensor platziert ist, hindert es Infrarot-Licht am Erreichen des Sensors 140. Der Sensor 140 empfängt sichtbares Licht, und ein Bild wird auf der Grundlage dieses empfangenen sichtbaren Lichts aufgenommen. Wenn jedoch das IR-Filter 120 nicht vor dem Sensor 140 ist, kann Infrarot-Licht den Sensor 140 erreichen. Dies erfolgt typischerweise, wenn das zur Verfügung stehende sichtbare Licht nicht ausreichend ist, um ein Bild akzeptabler Qualität zu erzeugen.
In einer Ausführungsform besteht das IR-Filter 120 aus einem Glassubstrat. In einer Ausführungsform ist das Glassubstrat mit einem Material beschichtet, welches Infrarot-Licht sperrt. Das Infrarot-Filter 120 wird je nach Erfordernis dem Linsenstapel hinzugefügt oder von dort entfernt. In einer Ausführungsform kann mehr als ein Filter verwendet werden, und/oder das Filter kann eine Kombination unterschiedlicher Filter, Linsen, usw. sein. Die Einzelheiten der Wahl des Infrarot-Filters 120 zum Optimieren der Kamera 100, um erfasste Bilder unabhängig davon, ob sichtbares Licht oder Infrarot-Licht zu ihrer Erfassung verwendet wird, scharf zu halten, werden nachfolgend erläutert.
Der Sensor oder Bildwandler 140 kann jede Art von Sensor sein, wie beispielsweise ein CCD-Sensor, ein CMOS-Sensor, ein VGA-Sensor, ein Hochauflösungssensor (z. B. ein HD-Sensor), usw. In einer Ausführungsform ist der Sensor 140 ein 1/3''-Bildwandler.
Bei dem Prozessor 150 kann es sich um jeden Prozessor handeln, der über die erforderliche Intelligenz verfügt, um die erforderliche Verarbeitung ausführen zu können.
In einer Ausführungsform sind eine oder mehrere Infrarot-Lichtquellen 160 umfasst. Diese Infrarot-Lichtquellen 160 werden eingeschaltet, um Infrarot-Licht zu erzeugen. In einer Ausführungsform stellen zwei leistungsfähige Infrarot-Lichtquellen eine Infrarot-Ausleuchtung bis zu einem Radius von 9,1 m bereit. In einer Ausführungsform handelt es sich bei diesen Infrarot-Lichtquellen 160 um inkohärente Lichtquellen, wie beispielsweise LEDs. In einer Ausführungsform sind die Infrarot-Lichtquellen 160 kohärente Lichtquellen, wie beispielsweise Laser. Die Wellenlänge der verwendeten Lichtquellen 160 ist in einer Ausführungsform derart ausgewählt, um die Kamera 100 zu optimieren, um sicherzustellen, dass die erfassten Bilder unabhängig davon, ob zur Bilderfassung sichtbares Licht oder Infrarot-Licht verwendet wird, scharf bleiben. Insbesondere werden in einer Ausführungsform die Infrarot-Lichtquellen ausgewählt, um die Dicke des Infrarot-Filters 120 und andere Faktoren auszugleichen, so dass das Infrarot-Licht letztendlich auf den Sensor fokussiert wird. Nachfolgend werden dazu weitere Erläuterungen gegeben. Die Wellenlänge des Infrarot-Lichts variiert beispielsweise von ungefähr 800 nm bis 1000 nm, und deshalb werden entsprechend der gewählten Dicke des Infrarot-Filters (wie nachfolgend diskutiert) Wellenlängen in diesem Bereich entsprechend ausgewählt. In einer Ausführungsform wird eine LED mit 850 nm als eine Infrarot-Lichtquelle 160 verwendet. Wie vorangehend erwähnt, wird die Wellenlänge entsprechend aus dem zur Verfügung stehenden entsprechenden Bereich ausgewählt, falls eine andere Art elektromagnetischer Strahlung verwendet wird.
In einer Ausführungsform können auch Quellen sichtbaren Lichts (nicht gezeigt) umfasst sein. In einer Ausführungsform ist die Kamera 100 über eine Kommunikationsverbindung mit einem Computer 180 gekoppelt. Dies wird in weiteren Einzelheiten mit Bezug auf 8 diskutiert werden.
Die 1B–1E sind verschiedene Ansichten einer Kamera 100 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wie ersichtlich ist, umfasst eine solche Kamera eine Linse 110, einen Sensor 140 und ein IR-Filter 120. In der gezeigten Ausführungsform befindet sich das IR-Filter 120 an einem Arm 135, welcher drehbar mit einem Gehäuse 130 der Kamera gekoppelt ist. Eine solche drehbare Kopplung kann unter Verwendung jeglicher Mittel, beispielsweise eines Gelenkes 137, hergestellt werden. In einer Ausführungsform ist die Linse 110 in diesem Gehäuse gelagert. In einer anderen Ausführungsform ist die Linse 110 in einem anderen Gehäuse gelagert, welches von dem Gehäuse, an das das IR-Filter drehbar gelagert ist, verschieden ist. In einigen Ausführungsformen schützt eine Abdeckung 138 verschiedene Elemente in der Kamera 100 vor Fremdstoffen, Staubpartikeln usw. 1D zeigt das IR-Filter 120 in einer ersten Lage, in der es sich zwischen dem Sensor und dem aufzunehmenden Objekt/der aufzunehmenden Szene befindet, wohingegen 1E das IR-Filter 120 in einer zweiten Lage zeigt, in welcher es nicht zwischen dem Sensor und dem aufzunehmenden Objekt/der aufzunehmenden Szene liegt.
Die drehbare Kopplung des IR-Filters 120 erlaubt einen sehr kleinen Formfaktor der Kamera 100. In einer Ausführungsform ist eine Linearbewegung des IR-Filters 120 möglich, jedoch erfordert dies mehr Raum.
Eine oder mehrere dieser Funktionen (z. B. das Entfernen oder Platzieren des IR-Filters, das Einschalten oder Ausschalten der IR-Lichtquellen, usw.) kann gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung manuell durch den Nutzer erfolgen unter Verwendung eines Schalters, eines Hebels oder eines anderen derartigen Mechanismus. In einer Ausführungsform kann der Nutzer eine Software-Auswahl verwenden, um diese Funktionen zu steuern. In einer Ausführungsform werden eine oder mehrere dieser Funktionen elektronisch/automatisch ausgeführt. In einer solchen Ausführungsform liegt der Bestimmung, wann es angemessen ist, das IR-Filter 120 zu platzieren oder zu entfernen, die Infrarot-Quellen 160 ein- und/oder auszuschalten, usw., ein Algorithmus zugrunde. Einzelheiten bezüglich eines solchen Algorithmus werden nachfolgend beschrieben werden. In einer Ausführungsform können eine oder mehrere dieser Funktionen automatisch und/oder durch Nutzerauswahlen implementiert sein. In einer solchen Ausführung kann dies von einem durch den Nutzer gewählten Modus abhängen, usw.
Während die hier gezeigten Ausführungsformen das IR-Filter 120 zwischen der Linse 110 und dem Sensor 140 platziert zeigen, ist in anderen Ausführungsformen das IR-Filter 120 vor der Linse 110, d. h. zwischen der Linse 110 und dem zu erfassenden Objekt.
In einer Ausführungsform hat eine Kamera 100 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zwei Modi – ein Aufnahmemodus für sichtbares Licht (auch als „Tagesmodus” oder „Modus ausreichenden sichtbaren Lichts” bezeichnet) und einen IR-Aufnahmemodus (auch als „Nachtmodus”, „nicht-sichtbarer Modus” oder „Modus nicht-ausreichenden sichtbaren Lichts” bezeichnet). In dem Bilderfassungsmodus sichtbaren Lichts ist das IR-Filter 120 auf die Linsenanordnung 110 ausgerichtet und/oder ist Teil des Linsenstapels vor dem Sensor. In dem IR-Bilderfassungsmodus ist das IR-Filter 120 mechanisch aus dem Linsenstapel 110 entfernt, und IR-Licht darf zu dem Sensor 140 gelangen. In einer Ausführungsform wird in dem IR-Bilderfassungsmodus eine IR-Beleuchtung durch eine Anordnung von IR-LEDs 160 auf der Kamera bereitgestellt, um die Szene auszuleuchten. Diese beiden Modi erlauben es der Kamera, sowohl zu funktionieren, wenn ausreichendes sichtbares Licht vorhanden ist, als auch, wenn es nicht vorhanden ist, aber IR-Licht vorhanden ist (oder bereitgestellt werden kann).
In einer Ausführungsform sind die Linse 110, das IR-Filter 120 und der Sensor 140 innerhalb einer Blendenöffnung 125 in dem Gehäuse 130 gelagert. Die Blendenöffnung 125 ist in einer Ausführungsform derart bemessen, dass sie eine f#2-Linse und einen 1/3''-Bildwandler aufnimmt.
In einigen Ausführungsformen werden in einer Kamera 100 gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung die unterschiedlichen Eigenschaften von sichtbarem Licht und IR-Licht berücksichtigt, um die Kamera 100 zu optimieren, indem sichergestellt wird, dass die Kamera 100 Bilder akzeptabler Qualität sowohl unter Verwendung von sichtbarem Licht als auch unter Verwendung von IR-Licht erfasst.
Es bestehen zwei hauptsächliche die Bilderfassung beeinflussende Aspekte, in welchen sich IR-Licht von sichtbarem Licht unterscheidet. Der erste Aspekt ist der Wellenlängenunterschied zwischen sichtbarem Licht und IR-Licht. Sichtbares Licht, welches üblicherweise aus violett- bis rot-gefärbten Wellenlängen besteht, hat viel kürzere Wellenlängen als IR-Licht. Der zweite Aspekt besteht darin, dass IR-Licht viel weiter als sichtbares Licht in das Silizium in dem Sensor eindringt. Während es verhältnismäßig einfach sein kann, einige dieser optischen Eigenschaften zu berücksichtigen und eine Kamera zu entwickeln, welche mit entweder nur sichtbarem Licht oder nur IR-Licht arbeitet, macht es jeder dieser Aspekte zu einer Herausforderung, eine Kamera 100 bereitzustellen, welche in angemessener Weise unter Verwendung von sowohl sichtbarem Licht als auch IR-Licht arbeitet. Jeder diese Aspekte wird nun in Einzelheiten diskutiert.
2 veranschaulicht die chromatische Aberration. Diese Figur zeigt, wie Licht jeder Wellenlänge eine unterschiedliche Brennweite aufweist und deshalb bei einem unterschiedlichen Abstand hinter der gleichen Linse fokussiert wird. Die 2 zeigt rotes, grünes und blaues sichtbares Licht. Wie aus der Tabelle 1 ersehen werden kann, sind die Wellenlängen unterschiedlich gefärbten Lichtes sogar innerhalb des sichtbaren Spektrums recht unterschiedlich.

Farbe Wellenlänge (nm)

Rot 650

Grün 530

Blau 460

IR 850–1000

Tabelle 1
Einige Kameralinsen sind für rote, grüne, und blaue sichtbare Wellenlängen optimiert. In einigen Fällen besteht die Linse aus einem sechs-elementigen Glaslinsenstapel, welcher eine sehr gute Auflösung bei sichtbaren Wellenlängen ermöglicht. Solche Linsen sind ausgelegt, um die Brennebenen der drei primären sichtbaren Farben einander so nahe wie möglich zu bringen, und funktionieren deshalb gut mit sichtbarem Licht. Wie jedoch aus Tabelle 1 ersichtlich ist, sind die Wellenlängen von IR-Licht viel langer als sogar diejenigen des sichtbaren roten Lichts, und daher müssen Schritte ergriffen werden, um das IR-Licht an derselben Stelle (auf dem Sensor) zu fokussieren wie das sichtbare Licht.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gibt es viele Arten, in denen ein System gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung optimiert ist, so dass ein unter Verwendung von IR-Licht erzeugtes Bild und ein unter Verwendung von sichtbarem Licht erzeugtes Bild beide durch den Sensor scharf erfassbar sind. Es sollte auch angemerkt werden, dass jede der nachfolgenden Arten mit jeder der beschriebenen oder anderen Techniken kombiniert werden kann, um dies zu erreichen. 3A zeigt IR-Licht (gepunktete Linien), welches durch eine Linse 110 auf den Sensor 140 fokussiert wird. In dieser Figur gibt es kein IR-Filter vor dem Sensor 140. 3B zeigt durch die Linse 110 gebündeltes sichtbares Licht. In 3B wird das IR-Licht durch das IR-Filter 120 blockiert. Das IR-Filter 120 bricht das darin eintretende sichtbare Licht ebenso wie das daraus austretende sichtbare Licht und stellt sicher, dass das sichtbare Licht auf den Sensor 140 fokussiert wird. Gäbe es das IR-Filter 120 nicht, würde sichtbares Licht nicht auf den Sensor 140 fokussiert, wie in 3C gezeigt.
In einer Ausführungsform ist die Dicke des IR-Filters 120 als die korrekte Dicke gewählt, um den Brennpunkt des sichtbaren Lichts zu kompensieren, so dass die Brennebene des sichtbaren Lichts mit der Brennebene des IR-Lichts übereinstimmt, wenn sich das IR-Filter 120 vor dem Sensor befindet. Ein Filter ist gemäß einer Ausführungsform eine Beschichtung auf einem Substrat (wie z. B. Glas). (In einer Ausführungsform sorgen Verunreinigungen in dem Substrat (wie z. B. Glas) anstelle von oder zusätzlich zu der Beschichtung für einen Filtereffekt.) Die Dicke des Substrats wird gewählt, um die geeignete Verschiebung der optischen Pfadlänge bereitzustellen, damit sichtbares Licht in demselben Abstand wie das IR-Licht fokussiert wird.
In einer Ausführungsform wird die Wellenlänge der IR-Lichtquelle 160 ebenfalls geeignet gewählt, so dass sichtbares Licht auf den Sensor 140 fokussiert wird, wenn das IR-Filter 120 davor platziert ist, und IR-Licht auf den Sensor 140 fokussiert wird, wenn das IR-Filter 120 nicht davor platziert ist. Wie vorangehend in Tabelle 1 gezeigt, hat IR-Licht einen Wellenlängenbereich von ungefähr 800 nm bis ungefähr 1000 nm. In einer Ausführungsform wird eine IR-Lichtquelle mit einer Wellenlänge von 850 nm verwendet. In einer anderen Ausführungsform wird eine IR-Lichtquelle mit einer Wellenlänge von 950 nm verwendet.
4 ist ein Flussdiagramm, welches zeigt, wie die Kamera 100 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung optimiert wird. In einer Ausführungsform wird die Verschiebung des Brennpfades bestimmt, indem eine Szene mit sichtbarem Licht ausgeleuchtet wird und die Linse fokussiert wird, um ein scharfgestelltes Bild auf dem Sensor zu erhalten (Schritt 410), und indem dann dieselbe Szene nur mit IR-Licht von der IR-Lichtquelle beleuchtet wird (Schritt 420) und die Linse neu positioniert wird, um wieder ein scharfgestelltes Bild auf dem Sensor zu erhalten (Schritt 430). Das Messen des Betrags der erforderlichen Neupositionierung der Linse zeigt die Verschiebung der Länge des Brennpfades an, wenn von sichtbarem Licht zu IR-Licht übergegangen wird (Schritt 440). In einer Ausführungsform ist die Linse mit einem Gewinde versehen, und die Neupositionierung wird gemessen, indem festgestellt wird, wie viel Rotation an der mit dem Gewinde versehenen Linse erforderlich ist, damit die IR-Szene mit dem Brennpunkt der Szene mit sichtbaren Licht übereinstimmt. Die Gewindesteigung ist bekannt, und daher kann die Verschiebung der optischen Ebene/Brennebene genau errechnet werden. Die Dicke des IR-Filters, um die erforderliche Verschiebung der Brennebene bereitzustellen, kann dann errechnet werden (Schritt 450). In einer Ausführungsform wird die Dicke des IR-Filters 120 auf Grundlage des bekannten Brechungsindexes des Substrats berechnet. In einer Ausführungsform wird die IR-Lichtquelle ausgewählt, um der Änderung in der Brennweite Rechnung zu tragen. Die verschiedenen Komponenten werden in einer Ausführungsform ausgewählt, um eine optimierte Kamera 100 bereitzustellen, welche scharfe Bilder sowohl mit sichtbarem Licht als auch mit IR-Licht aufnimmt.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung können unterschiedliche Komponenten, wie beispielsweise der Sensor 140, die Linsenanordnung 120, das IR-Filter 110 sowie die Wirkung der IR-Beleuchtung (IR-Lichtquelle 160), eingestellt und ausgeglichen werden, so dass die Szene scharfgestellt bleibt, egal ob die Kamera unter Verwendung von sichtbarem Licht oder IR-Licht betrieben wird.
Wir wenden uns nun dem zweiten der oben diskutierten Aspekte zu, welcher das im Vergleich zu sichtbarem Licht deutlich weitere Eindringen des IR-Lichts in das Silizium des Sensors betrifft. Die Absorptionstiefe in dem Silizium des Bildwandlers variiert mit der Wellenlänge. Dies ist in 5 veranschaulicht. Licht kurzer Wellenlänge (hoher Energie) wie blau (4600 A) wird üblicherweise innerhalb der ersten wenigen Mikrometer oder weniger des Siliziums absorbiert. In einigen CCD-Sensoren gelangt blaues Licht noch nicht einmal bis zum Silizium, da die Gates des CCD-Sensors die Energie absorbieren, noch bevor die Photonen in die Sammelzone gelangen.
Demgegenüber dringen IR-Photonen sehr viel tiefer (bis zu 15 Mikrometer) in das Silizium ein, bevor sie Elektronen erzeugen. Wenn die Elektronen erzeugt worden sind, entsteht üblicherweise eine Elektronenwolke. Diese Elektronenwolke ist natürlicherweise abstoßend (da sich gleiche Ladungen abstoßen), und deshalb verteilen sich die Elektronen, während sie sich zu den Sammelelektroden bewegen, wo sie für das Auslesen eingefangen werden. Das Ausdehnen der Elektronenwolke in dem Silizium wird „Raumladungsverbreiterung” genannt. Eine Wolke von Elektronen kann zu dem Zeitpunkt, in dem sie ausgelesen werden, ungefähr 15 Mikrometer im Durchmesser umfassen. In einer Ausführungsform sind dies von einer fokussierten IR-Szene ungefähr 6 Pixel im Durchmesser. Dies ruft ein Verschwimmen oder eine Verschlechterung der Modulationstransferfunktion (Modulation Transfer Function, MTF) hervor, welche wellenlangenabhängig ist. (Die MTF ist ein Maß, wie gut der Bildwandler eine Szene reproduzieren kann und wie fein ein Detail in der Szene aufgelöst werden kann.)
Bildwandler mit größeren Pixeln weisen eine bessere Leistungsfähigkeit für die IR-Bilderfassung auf, da größere Pixel weniger an der Raumladungsverbreiterung leiden. Die meisten VGA-Bildsensoren sind typischerweise 5,8-Mikrometer-Pixel, welche sie hochauflösenden kleineren Pixeln überlegen machen, wenn Bilder unter Verwendung von IR-Licht erfasst werden. Ein VGA-Bildsensor wird deshalb gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einer Kamera verwendet. In einer Ausführungsform wird ein hochauflösender Sensor (z. B. ein HD-Sensor) mit kleinen Pixeln verwendet. In einer Ausführungsform werden diese sehr kleinen Pixel „zusammengefasst” („binned”), um Superpixel zu erzeugen. Das Zusammenfassen (binning) ist sehr nützlich, insbesondere für Anwendungen in schwachem Licht, und ist sehr nützlich, um die Leistungsfähigkeit der IR-Bilderfassung im Allgemeinen zu verbessern, und insbesondere um die IR-MTF zu verbessern. In einer Ausführungsform wird das Zusammenfassen in dem IR-Aufnahmemodus eingeschaltet und in dem Aufnahmemodus für sichtbares Licht ausgeschaltet. In einer Ausführungsform ist das Einschalten/Ausschalten des Zusammenfassens durch Software wählbar. In einer weiteren Ausführungsform kann dies ein Nutzer tun.
In einigen Ausführungsformen ist der Sensor/Bildwandler aus anderen Materialien (anderen als Silizium) hergestellt, welche andere Eindringeigenschaften aufweisen.
Algorithmus zum Bestimmen, wann IR-Licht für die Bilderfassung verwendet werden soll
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Algorithmus verwendet, um zu bestimmen, wann sichtbares Licht zum Erfassen von Bildern verwendet werden soll und wann nicht-sichtbare Strahlung (z. B. IR-Licht) verwendet werden soll. In einer Ausführungsform wird ein solcher Algorithmus verwendet, um zu bestimmen, wann eine Kamera von dem Aufnahmemodus für sichtbares Licht in den Aufnahmemodus für IR-Licht geschaltet und zurückgeschaltet werden soll. Ein solcher Algorithmus basiert auf der Prämisse, dass sichtbares Licht zur Erfassung von Bildern verwendet werden sollte, wenn ausreichend sichtbares Licht zur Verfügung steht, da unter Verwendung von sichtbarem Licht aufgenommene Bilder im Allgemeinen von Nutzern vorgezogen werden. Wenn jedoch das sichtbare Licht nicht ausreichend ist (beispielsweise nachts draußen ohne Beleuchtung mit sichtbarem Licht), wird IR-Licht zur Erfassung von Bildern verwendet.
Ein Ablaufdiagramm, welches einen solchen Algorithmus gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, ist in 6 dargestellt. Eine Kamera gemäß einer solchen Ausführungsform wird eingeschaltet oder wieder eingeschaltet (Schritt 602) in dem Aufnahmemodus für sichtbares Licht (oder „Tagmodus”). In diesem Modus befindet sich das IR-Filter 120 zwischen dem Sensor und dem aufzunehmenden Objekt/der aufzunehmenden Szene und hindert das IR-Licht daran, den Sensor zu erreichen. Wenn das IR-Filter 120 platziert ist, ist es für den Sensor (Bildwandler) 140 einfach, die Stärke des in der Szene vorhandenen sichtbaren Lichtes zu erfassen. In diesem Aufnahmemodus für sichtbares Licht werden die Register des Sensors 140 ausgelesen, um zu erfassen, ob ausreichend sichtbares Licht vorhanden ist (Schritt 610). Diese Erfassung erfolgt in einer Ausführungsform durch Vergleichen der Auslesewerte der Register mit einem (vorbestimmten) Schwellwert. Falls die Register einen Wert oberhalb des Schwellwerts anzeigen, wird bestimmt (Schritt 610), dass eine für die Fortsetzung des Betriebs der Kamera in zufriedenstellender Weise ausreichende Menge sichtbaren Lichts vorhanden ist, und die Kamera bleibt in dem Aufnahmemodus für sichtbares Licht (Schritt 620).
Falls der aus den Registern ausgelesene Wert unterhalb des Schwellwerts liegt, wird bestimmt, dass kein ausreichendes sichtbares Licht vorhanden ist (Schritt 610), und in den IR-Aufnahmemodus (oder „Nachtmodus”) eingetreten (Schritt 630). Das IR-Filter 120 wird aus dem Strahlengang zwischen dem Sensor und der aufgenommenen Szene entfernt. In einigen Ausführungsformen werden auch IR-Lichtquellen 160 eingeschaltet. Eine Bestimmung muss nun ausgeführt werden, wann ausreichend sichtbares Licht vorhanden ist, um wieder in den Aufnahmemodus für sichtbares Licht einzutreten (Schritt 640). Diese Bestimmung ist nicht so einfach wie die vorangegangene, als die Kamera in dem Lichterfassungsmodus für sichtbares Licht war. Das Problem ergibt sich daraus, dass der Sensor 140 viel IR-Licht erfasst, wenn die Kamera in dem IR-Aufnahmemodus ist und das IR-Filter 120 das IR-Licht nicht blockiert. Ein einfaches Abfragen der Register des Sensors wird deshalb immer zu der Bestimmung führen, dass viel Licht (in diesem Falle IR) in der Szene vorhanden ist. Da IR-Licht ausgelesen wird, gibt das Auslesen dieser Register keinen Hinweis darauf, ob in der Szene nun genügend sichtbares Licht vorliegt (z. B., weil es morgen geworden ist, weil eine Quelle sichtbaren Lichts (z. B. eine Glühbirne) eingeschaltet worden ist, usw.). Die Bestimmung, ob wieder zurück in den Aufnahmemodus für sichtbares Licht geschaltet werden soll, erfordert daher die Verwendung einer anderen Methodik.
Wie vorangehend diskutiert, hat IR-Licht eine längere Wellenlänge als sichtbares Licht, so dass IR-Licht und sichtbares Licht verschiedene Brennpunkte aufweisen. Die Linsenanordnung 110 wird angepasst, um ein Bild zu erzeugen, welches bei IR-Beleuchtung ohne das IR-Filter 120 scharf ist, wie in 3A gezeigt. In dieser Konfiguration des IR-Aufnahmemodus erzeugt sichtbares Licht, welches eine kürzere Wellenlänge aufweist, ein unscharfes Bild. Dies ist in 3C gezeigt. (Sichtbares Licht ist im Fokus, wenn das IR-Filter 120 platziert ist, weil die Brechungseigenschaften des IR-Filters 120 das sichtbare Licht wieder scharfstellen, wie in 3B gezeigt.) Wenn die Kamera sich in dem IR-Aufnahmemodus befindet und wenn ausreichend sichtbares Licht in der Szene vorhanden ist, wird das erzeugte Bild daher unscharf. In einer Ausführungsform wird dies verwendet, um zu bestimmen, wann ausreichend sichtbares Licht vorhanden ist (Schritt 640). In einer Ausführungsform hat das System die Möglichkeit, den Brennpunkt/die Schärfe der Szene zu bestimmen oder zu messen, um zu bestimmen (Schritt 640), ob die Szene scharf ist oder nicht. In einer Ausführungsform sind die verschiedenen optischen Komponenten in der Kamera so angeordnet, dass:

1. die von der Kamera aufgenommenen Bilder scharf sind, wenn das IR-Filter 120 in dem Linsenstapel ist und wenn ausreichend sichtbares Licht vorhanden ist.
2. von der Kamera aufgenommene Bilder scharf sind, wenn kein IR-Filter 120 vorliegt und in der Szene vornehmlich IR-Licht vorliegt;
3. der Bildwandler/Sensor 140 Informationen bezüglich des Schärfeniveaus der Szene liefert.

Unter erneuter Bezugnahme auf 6 verbleibt die Kamera in dem IR-Aufnahmemodus (Schritt 650), falls bestimmt wird (Schritt 640), dass das Bild in dem IR-Aufnahmemodus scharf ist. In einer Ausführungsform wird der gegenwärtige Schärfewert mit einem anfänglichen Schärfewert verglichen. Wenn dieser Unterschied kleiner als ein (vorbestimmter) Schwellwert ist, wird bestimmt, dass das Bild scharf ist. (Die Bestimmung, ob ein Bild scharf ist oder nicht, wird in weiteren Einzelheiten mit Bezug auf 7 diskutiert werden.) Falls andererseits bestimmt wird, dass das Bild unscharf ist (z. B. weil der Unterschied zwischen dem gegenwärtigen Schärfewert und dem anfänglichen Schärfewert wenigstens so groß wie der Schwellwert ist), setzt das System in einer Ausführungsform mit der Überprüfung fort, ob das Bild für länger als eine bestimmte Zeitspanne unscharf bleibt. In einer Ausführungsform ist diese bestimmte Zeitspanne vorbestimmt. Dieses Abwarten verhindert, dass vorübergehende Bedingungen (wie die Frontscheinwerfer eines vorbeifahrenden Autos) die Kamera in den Aufnahmemodus für sichtbares Licht schalten.
In einer Ausführungsform erfolgt kein Abwarten einer bestimmten Zeitspanne (Schritt 660), nachdem festgestellt wurde, dass das Bild unscharf ist. Stattdessen wird der Aufnahmemodus für sichtbares Licht aktiviert (Schritt 570), wenn die Bestimmung erfolgt ist, dass das Bild unscharf ist (Schritt 540).
Eine Kamera gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung schaltet auf der Grundlage eines solchen Algorithmus automatisch von einem Modus in einen anderen. In einer Ausführungsform wird einem Nutzer auf der Grundlage dieses Algorithmus ein Hinweis gegeben, dass der Modus der Kamera von einem Modus in einen anderen geschaltet werden sollte.
7 zeigt eine Zustandsdiagrammdarstellung eines Algorithmus zum Schalten zwischen einem Aufnahmemodus für sichtbares Licht (oder „Tagesmodus”) und einem IR-Aufnahmemodus (oder „Nachtmodus”) gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Tag-zu-Nacht-Modus
Starten wir mit dem Zustand 710, in welchem sich die Kamera im Tagesmodus befindet. In einer Ausführungsform startet die Kamera im Tagesmodus, wenn die Kamera eingeschaltet wird, wobei das IR-Filter 120 in die Linsenbaugruppe eingefügt ist und die IR-Lichtquellen (z. B. IR-LED-Ausleuchter) 160 ausgeschaltet sind. Der Algorithmus liest das Lichtniveau, welches der Sensor 140 detektiert, periodisch aus. Da das IR-Filter 120 eingefügt ist, wird nur die Menge sichtbaren Lichts gemessen und mit einem Lichtschwellwert verglichen. Wenn die Menge sichtbaren Lichts unter die Schwelle geringen Lichts fällt, wird der Algorithmus in den Nachtmodus schalten, in welchem die IR-LEDs 160 eingeschaltet sind und das IR-Filter 120 aus dem Linsenstapel entfernt ist. Dies entspricht dem Zustand 720.
Nachtmodus
Im Nachtmodus (Zustand 720) wird der Algorithmus einige Sekunden lang warten, um dem Bildwandler 140 das Einstellen und Angleichen an die neuen Bedingungen zu ermöglichen. Nachdem sich der Bildwandler eingestellt hat, wird ein Auslesewert des Schärfeniveaus aus dem Bildwandler in einer Variable gespeichert. Diese Variable wird hier als initFocus bezeichnet. Nachdem sich der Nachtmodus eingestellt hat und der anfängliche Schärfewert gespeichert worden ist, setzt der Algorithmus mit dem nächsten Zustand, Zustand 730, fort. Dieser nächste Zustand 730 ist dazu eingerichtet, den Schärfewert periodisch auszulesen, und führt eine Differenzoperation des gegenwärtigen Schärfewertes (currFocus) mit dem Anfangsschärfewert (initFocus) aus. Der Unterschied zwischen currFocus und initFocus wird mit einem Schärfemargenwert (FocusMargin) verglichen. Wenn die Differenz größer ist als FocusMargin, setzt der Algorithmus mit dem nächsten Zustand (Zustand 740) fort. Wenn die Schärfe sich über FocusMargin hinaus ändert, bedeutet dies, dass das sichtbare Licht bis zu einem Niveau zugenommen hat, das es der Kamera erlaubt, den Nachtmodus zu verlassen.
Nacht-zu-Tag-Modus
Bevor jedoch der Nachtmodus vollständig verlassen wird, ist es wichtig, sicherzustellen, dass die Lichtänderung eine dauerhafte Bedingung und keine vorübergehende Bedingung, wie beispielsweise ein die Szene durchquerendes Fahrzeuglicht, ist. Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gibt es in diesem Zustand (740) daher eine Wartezeitspanne mehrerer Sekunden, in welcher der gegenwärtige Schärfewert weiterhin ausgelesen und derselbe Unterschiedstest wie in dem vorangehenden Zustand ausgeführt wird. Falls der Unterschied unter FocusMargin fällt, kehrt das System in den Nachtmodus-Auslesezustand (Zustand 730) zurück. Falls andererseits für länger als die Wartezeitspanne der Unterschied oberhalb von FocusMargin bleibt, setzt der Algorithmus den gegenwärtigen Zustand auf den Tagesruhezustand (710) zurück. Nach der Rückkehr in diesen Tageszustand (710) werden die IR-LEDs 160 ausgeschaltet und das IR-Filter 120 auf den Linsenstapel ausgerichtet. Die Kamera ist nun im Tagesmodus.
Der vorangehend mit Bezug auf die 6 und 7 diskutierte Algorithmus kann in jedem Bestandteil des Systems, wie beispielsweise in der Kamera 100, in Rechnern, usw., implementiert sein. Ein Beispiel eines solchen Systems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird im Folgenden diskutiert.
8 ist ein Blockdiagram eines Systems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wie ersehen werden kann, umfasst ein solches System eine Kamera/Kameras 100, Netzwerke 810 und Rechner 820.
Anstelle einer einzigen Kamera 100 können mehrere Kameras 100, welche mit einem oder mehreren Rechnern 820 und/oder Netzwerken 810 verbunden sind, vorliegen. Beispielsweise kann mehr als eine Kamera 100 mit dem Rechner 820a kommunizieren. Bei der Kamera 100 kann es sich um jede Art von Bilderfassungsvorrichtung handeln. Eine solche Vorrichtung kann allein Videodaten erfassen, allein Standbilder erfassen oder beides erfassen. Eine solche Kamera kann zusätzlich auch Audiodaten erfassen. Eine solche Kamera kann eine autonome Vorrichtung sein oder eine Vorrichtung, welche Teil einer anderen Vorrichtung ist, wie beispielsweise eines Smartphones, eines Mobiltelefons, eines Organizers (Personal Digital Assistant, PDA), eines Laptop-Computers, eines Tablet-Computers, eines Digitalempfängers (Set-Top Box), einer Fernbedienung, usw. Beispielsweise kann die Kamera 100 eine Videoüberwachungskamera sein. Als ein weiteres Beispiel kann die Kamera 100 eine Webcam sein. In einer Ausführungsform ist die Kamera 100 körperlich in den Rechner 810a integriert und/oder ist Teil des Rechners 810a.
Bei den Netzwerken 810a und 810b (zusammen als „810” bezeichnet) kann es sich um jedes Netzwerk handeln, wie beispielsweise ein WAN-Netz (Wide Area Network) oder LAN-Netz (Local Area Network) oder jedes andere Netz. Ein WAN-Netz kann das Internet, das Internet 2 und ähnliche umfassen. Ein LAN-Netz kann ein Intranet umfassen, bei welchem es sich beispielsweise um ein einer Organisation zugehöriges TCP/IP-basiertes Netzwerk handeln kann, welches nur für Mitglieder oder Angestellte der Organisation oder solche mit Autorisierung zugänglich ist. Ein LAN-Netz kann auch beispielsweise ein Netzwerk wie NetwareTM der Novell Corporation (Provo, Utah) oder Windows NT der Microsoft Corporation (Redmond, Wash.) sein. Bei dem Netzwerk 810 kann es sich um ein Heimnetzwerk, ein verdrahtetes oder drahtloses Netzwerk, ein auf Ethernet oder WiFi basierendes Netzwerk, ein Mobiltelefonienetzwerk, ein Netzwerk über Stromverbindungen, ein Netzwerk über Satellitenverbindungen, usw. handeln. Das Netzwerk 810 kann auch kommerziell erhältliche abonnement-basierte Dienstleistungen umfassen, wie beispielsweise AOL von America Online, Inc. (Dulles, Va.) oder MSN der Microsoft Corporation (Redmond, Wash.). Es sollte erwähnt werden, dass die Kamera 100 mit dem Rechner 820 ohne ein Netzwerk kommunizieren kann. Beispielsweise kann die Kamera 100 mit dem Rechner 810 unter Verwendung eines Infrarot(IR)-Protokolls, eines BlueTooth-Protokolls (BT), eines USB-Protokolls, eines Firewire-Protokolls, usw. kommunizieren. Die vorliegende Erfindung ist unabhängig von dem spezifischen Netzwerk/den spezifischen Netzwerken und dem verwendeten Protokoll/den verwendeten Protokollen. Es ist auch möglich, dass die Kamera tatsächlich in den Rechner 820 integriert ist und daher eine einzige körperliche Vorrichtung anstelle der zwei getrennten Vorrichtungen, wie sie in 8 dargestellt sind, umfasst. Wie in 8 gezeigt, gibt es in einer Ausführungsform zwei Netzwerke oder Protokolle – ein erstes, über welches die Kamera 100 mit einem in der Nähe der Kamera 100 angeordneten Rechner 820 kommuniziert, und ein zweites Netzwerk (z. B. das Internet), über welches der Rechner 820a mit einem weiteren Rechner 820b kommuniziert. In einer Ausführungsform kommuniziert die Kamera 100 mit dem Rechner 820b über den Rechner 820a. In einer anderen Ausführungsform kommuniziert die Kamera 100 mit dem Rechner 820b direkt über das Netzwerk 810b.
Bei den Rechnern 820a und 820b (zusammengenommen als „820” bezeichnet) kann es sich um jede einer Reihe von Vorrichtungen handeln. Solche Vorrichtungen können Personal-Computern (Windows-basiert, Macs usw.), Smartphones (wie z. B. das iPhone usw.), Laptop-Computer, Tablet-Computer, Digitalempfänger (Set-Top Boxes), entfernte Server, usw. umfassen, sind aber nicht darauf beschränkt. In einer Ausführungsform handelt es sich bei dem Rechner 820b um einen entfernten Server, auf welchem Daten von mehreren Kameras 100 an unterschiedlichen Orten gesammelt und analysiert werden können. In einer Ausführungsform handelt es sich bei dem Rechner 820b um einen Smartphone. In einer Ausführungsform ist der Rechner 820a der Personal-Desktop-Computer oder Laptop-Computer eines Nutzers. Es sollte bemerkt werden, dass es sich bei den Rechnern 820 um jede Vorrichtung handeln kann, die zum Ausführen der erforderlichen Verarbeitungs-/Renderings-Funktionen usw. fähig ist.
In einer Ausführungsform kommuniziert die Kamera 100 beispielsweise über häusliche Elektrizitätsleitungen 810a mit dem Computer 820a eines Nutzers, und der Computer 820a des Nutzers kann wiederum über das Internet 810b oder ein Mobilfunknetzwerk 810b mit einem entfernten Rechner 820b kommunizieren. In einer Ausführungsform erfassen die Kameras 100 Videodaten (beispielsweise ein Überwachungsvideo) und stellen sie auf einem Smartphone 820b dar. In einer Ausführungsform wird die Kamera 810a auch zum Bereitstellen einer video-basierten Kommunikation (z. B. eines Video-Chats) mit einem zweiten Nutzer, welcher den Rechner 820b verwendet (der mit einer zweiten Kamera ausgestattet sein kann, um sein/ihr Video zu erfassen), verwendet
Während verschiedene Ausführungsformen und Anwendungen der vorliegenden Erfindung veranschaulicht und beschrieben wurden, versteht sich, dass die Erfindung nicht auf die hier offenbarten genauen Konstruktionen und Komponenten beschränkt ist. Beispielsweise können unterschiedliche Funktionalitäten der vorliegenden Erfindung in unterschiedlichen Teilen des Systems vorliegen. Beispielsweise kann der Prozessor, welcher den Algorithmus zum Bestimmen, ob von einem Modus in einem anderen Modus geschaltet werden soll, ablaufen lässt, in der Kamera selbst oder in einem entfernten Prozessor in einem der Rechner angeordnet sein. Der diesen Algorithmus ausführende Prozessor kann beispielsweise in einem lokalen Rechner, einem entfernten Server, einem Smartphone, einem Tablet-Computer usw. vorliegen. Als weiteres Beispiel können mehrere dieser Funktionalitäten in Software, Firmware, Hardware oder jedweder Kombination von diesen implementiert sein. Als ein weiteres Beispiel kann jede der hier beschriebenen Techniken mit jeder anderen ohne Beschränkung kombiniert werden und/oder kann auch mit anderen bekannten Techniken, wie beispielsweise dem Erhöhen der Belichtungszeit, um schwachen Beleuchtungsbedingungen Rechnung zu tragen, kombiniert werden. Eine Kamera gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann überdies neben dem vorangehend vorgeschlagenen in verschiedenen weiteren Situationen eingesetzt werden.

Claims

Bilderfassungsvorrichtung mit: einem Gehäuse mit einer Blendenöffnung; einer Linse zum Sammeln von Licht, welches durch die Blendenöffnung hindurchgelassen wird; einem Sensor zum Empfangen des gesammelten Lichtes; und einem an das Gehäuse gekoppelten Infrarot-Filter zum Blockieren von Infrarot-Licht, wobei das Infrarot-Filter von einer ersten Lage in eine zweite Lage beweglich ist, wobei in der ersten Lage das Infrarot-Filter das Infrarot-Licht am Erreichen des Sensors hindert, und in der zweiten Lage dem Infrarot-Licht das Erreichen des Sensors gestattet, wobei die Linse und das Infrarot-Filter derart eingerichtet und aufeinander abgestimmt sind, dass in einem ersten Modus, in dem das Infrarotfilter in der ersten Lage ist, sichtbares Licht auf den Sensor fokussiert wird, und in einem zweiten Modus, in dem das Infrarotfilter in der zweiten Lage ist, Infrarotlicht der gleichen Szene auf den Sensor fokussiert wird, während sichtbares Licht der gleichen Szene nicht auf den Sensor fokussiert wird; und einem Prozessor, der im Betrieb im zweiten Modus ermittelt, ob ein erfasstes Bild unscharf ist, und in Antwort darauf veranlasst oder dem Nutzer einen Hinweis gibt, den Infrarot-Filter aus der zweiten Lage in die erste Lage zu bewegen.
Bilderfassungsvorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher das Infrarot-Filter an einem Schwenkarm gelagert ist, wobei der Schwenkarm drehbar an das Gehäuse gekoppelt ist.
Bilderfassungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Bilderfassungsvorrichtung eine Kamera ist.
Bilderfassungsvorrichtung nach Anspruch 3, wobei die Kamera eine Videoüberwachungskamera ist.
Bilderfassungsvorrichtung nach Anspruch 3, wobei die Kamera eine Webcam ist.
Bilderfassungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche mit zusätzlich einer Infrarot-Lichtquelle.
Bilderfassungsvorrichtung nach Anspruch 6, bei welcher die Infrarot-Lichtquelle eine Infrarot-LED ist.
Bilderfassungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher in dem zweiten Modus eine Infrarot-Lichtquelle eingeschaltet ist.
Bilderfassungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Dicke des Infrarot-Filters derart ausgewählt ist, dass das sichtbare Licht auf den Sensor fokussiert wird, wenn das Infrarot-Filter in der ersten Lage ist, und Infrarot-Licht auf den Sensor fokussiert wird, wenn das Infrarot-Filter in der zweiten Lage ist.
Verfahren zum Erfassen von Bildern unter Verwendung von Infrarot-Licht oder von sichtbarem Licht, wie jeweils anwendbar, mit einer Bilderfassungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, mit folgenden Schritten: Bestimmen, basierend auf einem Schwellenwert, ob eine ausreichende Menge sichtbaren Lichts vorhanden ist in einem ersten Modus; in Reaktion auf das Erfassen, dass eine ausreichende Menge sichtbaren Lichts vorhanden ist, Verbleiben in dem ersten Modus, wobei ein Bild unter Verwendung. sichtbaren Lichts auf einem Sensor erfasst wird; in Reaktion auf das Erfassen, dass keine ausreichende Menge sichtbaren Lichts vorhanden ist, Schalten in einen zweiten Modus, wobei ein Bild unter Verwendung von Infrarotstrahlung auf dem Sensor erfasst wird; Bestimmen in dem zweiten Modus, ob eine ausreichende Menge sichtbaren Lichts vorhanden ist, in Abhängigkeit davon, ob das Bild scharf ist; und in Reaktion auf das Erfassen, dass in dem zweiten Modus eine ausreichende Menge sichtbaren Lichts vorhanden ist, Schalten in den ersten Modus, wobei der Schritt des Schaltens in den zweiten Modus den Schritt des Entfernens eines Infrarot-Filters aus dem Strahlengang umfasst, um Infrarot-Licht das Erreichen des Sensors zu gestatten, und wobei der Schritt des Schaltens in den ersten Modus den Schritt des Positionierens eines Infrarot-Filters in dem Strahlengang umfasst, wobei das Infrarot-Filter Infrarot-Licht am Erreichen des Sensors hindert.
Verfahren nach Anspruch 10 mit dem zusätzlichen Schritt des Einschaltens einer Infrarot-Lichtquelle.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 11, mit dem zusätzlichen Schritt des Einschaltens eines Zusammenfassens, um das durch mehrere Pixel auf dem Sensor erfasste Licht in einem einzigen Bin zusammenzufassen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12 mit dem zusätzlichen Schritt des Ausschaltens einer Infrarot-Lichtquelle.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, bei welchem der Schritt des Bestimmens in einem ersten Modus, ob eine ausreichende Menge sichtbaren Lichts vorhanden ist, um ein Bild akzeptabler Qualität zu erfassen, den Schritt des Auslesens der Register des Sensors umfasst, um zu bestimmen, ob die Menge des registrierten Lichtes höher als ein Schwellwert ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, bei welchem der Schritt in dem zweiten Modus des Bestimmens, ob eine ausreichende Menge sichtbaren Lichts vorhanden ist, folgende Schritte umfasst: Vergleichen eines Schärfewertes des Bildes mit einem anfänglichen Schärfewert; und Bestimmen, dass das Bild unscharf ist, falls der Schärfewert sich von dem anfänglichen Schärfewert um mehr als einen Schwellwert unterscheidet.
Verfahren nach Anspruch 15, mit dem zusätzlichen Schritt des Bestimmens, dass das Bild scharf ist, falls sich der Schärfewert von dem anfänglichen Schärfewert um weniger als einen Schwellwert unterscheidet.
Verfahren nach Anspruch 15, mit dem zusätzlichen Schritt des Überprüfens für eine vorbestimmte Zeitspanne, ob das Bild unscharf bleibt.
Computer-lesbares Medium mit Instruktionen für einen Prozessor einer Bilderfassungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9 zum Implementieren eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 10 bis 17, wenn die Instruktionen durch den Prozessor ausgeführt werden.