用于移动设备的外部光源的制作方法

1.本发明属于用于捕获照片的设备或系统的领域，更准确地属于用于捕获照片的特殊处理和设备的领域，最特别地与照明相关。本发明涉及主要用于利用移动设备进行摄影的一个或多个光源，并且涉及对对象或场景进行照明以捕获照片的方法。


背景技术：

2.闪光装置是各种类型——紧凑型、单透镜反射型、模拟型或者内置于诸如移动电话和平板计算机的移动设备中——的摄像装置的关键部件之一，这使得可以拍摄照明不足的对象或场景的照片。闪光单元可以集成至摄像装置或移动设备中，但是也可以用作被安装在摄像装置上或与摄像装置同步的独立外部单元。集成的闪光装置大部分比外部单元的能力低。通常，这需要附加的光源，优选地附加的闪光装置，以达到对对象或场景的最佳照明。
3.外部摄影闪光器(flashgun)通常旨在与使用机械快门的(数字)单透镜反射(dslr)摄像装置和无反光镜摄像装置一起使用以捕获照片。在通过使用比通常为1/250s的同步速度/x
‑
同步速度长的曝光时间来捕获照片的情况下，快门将在给定的时间点处使传感器的整个表面暴露；因此，为了使得能够进行对对象或场景的适当照明，在正确的时间触发单次闪光就足够了。在以比同步速度相比短的曝光时间捕获照片的情况下，快门将通过仅使传感器的一部分暴露来行进通过传感器。
4.在移动设备中，捕获照片的过程在概念上与使用机械快门的摄影——移动设备的摄像装置使用具有电子滚动快门的cmos传感器来捕获图像——非常类似。传感器逐行进行扫描，并且扫描所有行(或线)的总持续时间被称为传感器的读出时间。
5.当前可用的以经典闪光或单次闪光的解决方案仅在存在曝光窗口时——即在给定的时间点处cmos传感器的整个区域集成入射光时——使得能够进行照片的均匀照明。曝光的持续时间等于曝光窗口减去传感器的读出时间和缓冲时间，读出时间和缓冲时间由于光源与传感器之间的不完全的时间同步而必须被考虑在内。如果在曝光窗口内没有触发闪光装置或者如果不存在曝光窗口，则照片的照明不是最佳的，并且照片的一部分可能是完全黑暗的。
6.发光二极管(led)最常用于在移动设备摄影中提供附加照明，但是发光二极管具有诸如低的功率输出和低的颜色再现指数的缺点。当需要明显冻结画面中对象的移动时，这需要短的曝光时间，led由于其低的额定功率而不能提供对场景的足够照明。与led相比，氙气摄影闪光器具有实质上更好的特性。线性闪光管通常包括玻璃管和两个密封电极并且填充有气体。线性闪光管使用放电原理，由此将40％与60％之间的输入电力转换成具有短的持续时间——大部分短于1ms——的白光脉冲串(bursts of white light)。
7.自2017年以来，godox a1已经是旨在与市场上可用的移动设备一起使用的唯一的氙气摄影闪光器。
8.us20170195535a1专利申请描述了氙气闪光灯泡与移动设备的结合使用，这两个
设备经由无线电链路进行通信。以使得能够从移动设备接收用于远程控制摄影闪光器的信号的方式对系统进行配置，由此该信号至少包括摄影闪光器拍摄对象所需的总的光。然后，控制系统根据控制信号调整从氙气摄影闪光器发射的光。该解决方案描述了对单次闪光中的光的量的调整。
9.us7949249b2专利描述了用于使移动设备上的摄像装置与外部照明装置进行同步的方法。该解决方案描述了在使用单次闪光时的同步以改善对场景的照明。该解决方案通过延长传感器曝光时间使得能够使用单次闪光，从而创建曝光窗口。在许多情况下，延长传感器曝光时间是不期望的，这是因为延长传感器曝光时间可能导致图像的过度曝光或者快速移动物体的模糊。
10.现有技术
11.us6009281a专利描述了能够发射明显均匀闪光的光源。该设备与具有内置电路的摄像装置结合起作用，以经由电触点发送关于所选择的闪光操作模式的信号。
12.us6404987b1专利描述了外部摄影闪光器的系统。为了使得摄像装置与未安装在摄像装置本体上的摄影闪光器之间能够进行通信，该系统将安装在摄像装置上的闪光设备与无线电单元一起使用来控制其余的从闪光单元。根据该发明，无线电单元以用于选择从闪光设备的操作模式的电路为特征。无线电单元向外部从闪光装置发送具有关于所选择的操作模式的信息的信号。


技术实现要素：

13.已知目前存在的用于移动设备的摄影闪光器不能够进行最佳照明，这是因为用于移动设备的摄影闪光器仅支持单次闪光发射，因此本发明的目的和目标是提供一种将使得可以对其输出进行调制的光源。
14.对技术问题的解决方案的描述
15.因此，本发明的任务和目标是提供下述外部闪光装置：可以通过与移动设备建立无线电链路来使得能够对发射光进行调制并且可以发射单次闪光或明显均匀闪光，这可以进而使得能够根据对要拍摄的对象或场景的自然照明来调整照明。
16.本发明的核心是一种被设计为包括氙气闪光装置组件与相关联的电子电路的用于移动设备的外部摄影闪光器的外部光源，由此光源或闪光装置被布置成在至少两种不同的模式下——在单次闪光模式和在明显均匀闪光模式下——操作。一个或多个外部光源可以经由无线电链路与移动设备互相链接，其中，外部光源以规则的间隔将时间戳发送回移动设备。基于这些时间戳，嵌入在移动设备的软件中的算法能够计算在移动设备上开始图像捕获与触发外部单元的闪光的时刻之间的延迟，这确保了对整个对象的均匀照明。
17.因此，不需要使用能够在机械快门帘行进通过传感器的整个时间内进行明显均匀的光通量发射的光源。替代地，通过在机械快门行进通过dslr摄像装置或无反光镜摄像装置的传感器的时间期间使用大量短且快的脉冲串来实现明显均匀的光通量强度。
18.本文提出的通过本发明解决的技术问题是下述设计的设备：使用例如cmos传感器来确保对由集成至移动设备中的静态图像摄像装置捕获的所选择的对象的最佳照明，其中，提供了用于与移动设备的静态图像摄像装置的功能(控制)元件进行交互的足够的连接性和时间同步选项。
19.由此，由移动设备捕获的照片的质量接近或者甚至等于单透镜反射摄像装置或无反光镜摄像装置的照片的质量。虽然移动设备中的摄像装置不具有在dlsr摄像装置中发现的透镜和传感器的尺寸的透镜或传感器，但是移动设备中的摄像装置的实际优点可以抵消其产生的照片的低劣质量(在纯技术术语中)。移动设备提供了对所捕获的照片的即时处理的独特选项，从而使得能够消除由于低劣的传感器和光学器件引起的伪像。此外，与数字单透镜反射(dslr)摄像装置或无反光镜摄像装置不同，移动设备是无处不在的并且如此总是近在咫尺，以拍摄期望的对象或场景的即时照片。
20.在许多情况下例如在没有曝光窗口时可以提供最佳照明。
21.在许多情况下，避免光源与摄像装置之间的物理链路可能是期望的，这是因为其提供了摄像装置和闪光单元的几何定位的自由度。
22.使用摄像装置的本体外部的闪光设备是期望的，这是因为当摄像装置本身以用于与外部闪光单元的无线电链路的集成模块为特征时更容易控制闪光装置。
23.外部光源的附加操作模式是频闪操作，该频闪操作包括一系列大量的单独闪光。该模式使得能够创建特殊的视觉效果。
24.附加地，移动设备被布置成基于关于移动设备的曝光时间向外部光源发送包括关于所选择的操作模式的信息的信号。
25.作为额外的选项，所提出的闪光装置还可以以其本体上的输入按钮为特征，从而使得能够通过移动设备来致动对图像的捕获。当按下该输入按钮时，外部光源向移动设备发送信号，然后，该移动设备将拍摄照片。此外，放置在外部光源的本体上的一个或更多个输入按钮可以根据设备的当前状态而具有不同的功能。并且最后，单元的本体还可以以具有至少三种颜色的光指示器为特征，光指示器优选地是led，该光指示器可以通过使用不同的颜色和闪烁模式来显示该单元的当前状态。
26.因此，根据本发明，用于移动设备的外部光源包括：
27.·
氙气闪光装置，该氙气闪光装置具有至少一个闪光管和相关联的电子电路，该相关联的电子电路被编程为使得能够在至少两种操作模式下触发闪光管：
28.ο单次闪光模式，和
29.ο明显均匀闪光模式；
30.·
集成电路，该集成电路包括中央处理单元(cpu)和蓝牙芯片，其中，cpu被编程为：
31.ο执行和控制与移动设备的通信，
32.ο执行和控制外部光源的操作，以及
33.·
开关，该开关连接电容器和闪光管，以根据所选择的操作模式对来自闪光管的闪光发射进行调制；
34.·
优选地，惯性测量单元；
35.·
多功能输入按钮，该多功能输入按钮用于使外部光源通电和断电，可选地用于触发图像捕获，切换到另一闪光发射模式或者用于重置单元；
36.·
可选地led，该led用于提供辅助场景照明，该led：
37.ο安装在闪光管的附近，并且用作用于辅助引导闪光装置的光轴的指示灯，
38.ο利用该led的光通量，帮助移动设备确定图像捕获参数，主要用于即使在完全的
黑暗时也能正确聚焦于画面中的对象，
39.ο供电并且通过led控制器控制，该led控制器本身由cpu控制；
40.·
可选地，该单元的状态的指示器，优选地为多色光，诸如rgbw led，该指示器的主要任务是通知用户该单元的下述各种状态：
41.ο该单元是接通的，
42.ο低的电池状态，
43.ο该单元过热，
44.ο电池正在被正确充电，
45.ο电池被完全充电。
46.本发明涉及具有内置(优选地)氙气闪光装置的外部光源，该外部光源在至少两种模式下操作。在第一模式下，该外部光源生成单次闪光，而在第二模式下，该外部光源生成明显均匀闪光。除了填充氙气的闪光管外，还存在包含其他惰性气体的闪光装置，但是这些闪光装置不用于摄影，这是因为它们产生的光谱可能不适合于这种用途。将led光源简单替换为氙气闪光装置因为其各自功能的差异而需要大量的调整，由此支持闪光操作的电子电路因此需要完全不同的设计。
47.包括cpu和蓝牙芯片组的电子电路使得外部光源能够生成单次闪光。当cpu接收到移动设备的包括详述捕获照片的时间和闪光功率的信息的信号时，cpu与开关的控制单元建立连接。cpu向芯片的控制单元发送包括详述捕获照片的时间和所需的闪光功率的信息的信号。开关的控制器计算该开关保持闭合以达到所请求的闪光功率所需的时间。在开始捕获照片时，开关的控制单元增加该开关的栅极处的电压。该开关开始传导功率，所述功率开始从电容器流入闪光管。一旦经过设想的时间，控制单元降低该开关的栅极处的电压，然后，该开关闭合。因此，闪光功率取决于开关断开的持续时间。结果是通常持续小于1毫秒的单次闪光。
48.电子电路还使得能够生成所谓的明显均匀闪光，所述明显均匀闪光可以包括一系列大量的闪光。所述闪光在特性上相对较弱。存在指定称为明显均匀闪光的许多英语术语，诸如：fp
‑
同步、平峰、均匀闪光发射、平发射、平闪光灯、高速同步模式和高速同步(hss)闪光，后者是最常用的术语。明显均匀闪光必须在给定的阈值传感器曝光时间(闪光同步速度或x
‑
同步速度)以下使用。这些闪光由连接电容器和闪光管的开关的高频切换生成，这导致看起来是均匀闪光，优选地持续高达25毫秒，或者理想情况下，具有范围在4秒到25秒之间的持续时间。
49.一旦cpu从移动设备接收到详述捕获照片的时间、闪光功率及闪光持续时间的信号，cpu就将与开关的控制单元建立连接。然后，cpu向该开关的控制单元发送详述捕获照片的时间、闪光的持续时间及闪光功率的信号。控制器计算可以如何调制开关的栅极处的功率以达到所请求的闪光持续时间和闪光功率。在开始捕获照片时，开关的控制单元开始对该开关的栅极处的电压进行调制。所述调制通常使用高于15khz的频率。
50.外部光源的第三操作模式是包括一系列大量的单独闪光的频闪操作，所述一系列大量的单独闪光在频率和功率上受到限制，以防止光源过热。具有内置cpu的集成电路可以将氙气闪光装置切换到该操作模式。用户经由用户接口选择频闪操作模式，以及期望的闪光频率和闪光功率。经由无线电链路，移动设备向外部光源发送包括关于频闪操作模式、期
望的闪光频率和闪光功率的信息的信号。一旦cpu从移动设备接收到详述与捕获照片的开始、闪光功率和闪光频率有关的信息的信号，cpu就与开关的控制单元建立连接。控制器计算可以如何调制开关的栅极处的电压以达到所请求的闪光功率和闪光频率。在开始捕获照片时，开关的控制单元开始对该开关的栅极处的电压进行调制。所述调制通常使用低于100hz的频率。
51.该开关优选地具有连接电容器和闪光管的绝缘栅双极晶体管或igbt型晶体管。通常，一个光源单元将以单个闪光管和电容器为特征，因此还存在内置于该单元中的仅一个开关。一个光源单元还可以使用rc或rlc电路，其中，闪光管的输出功率可以通过改变主电容器的电压来调整。igbt开关的功能由igbt开关控制器来控制。该单元的cpu与控制器进行通信并且控制其操作。igbt开关通过快速关闭流向闪光管的电流来减小单次闪光期间发射的总的发光功率，因此在不改变闪光的幅度的情况下缩短了闪光的长度。这是期望的效果，因为其限制了功耗，同时可以保持光束的质量。igbt开关用于所有现代闪光单元。
52.具有内置cpu的集成电路可以被布置成根据曝光时间在氙气闪光装置的操作模式之间进行切换，这可以在移动设备的用户接口中设置。用户还可以使移动设备计算曝光时间。移动设备可以基于由该移动设备的传感器检测的光的强度来设置曝光时间。操作模式之间的切换在下述情况下发生：当移动设备经由无线电链路向外部光源发送设置使用单次闪光和在该操作模式下发射的闪光功率或者设置使用明显均匀闪光和在该操作模式下的闪光功率和闪光的长度的信号时。
53.闪光设备的中央处理单元——其集成电路的部件部分——可以继续等待经由无线电链路从移动设备接收到的包括关于用于触发闪光装置的时间的信息的信号。
54.外部光源与移动设备的链接以及光源与移动设备的时间同步可以通过适当的算法使得能够进行，该算法在其最简单的实现方式中涉及要执行的下述步骤：
55.a)搜索附近的能够发射闪光的无线设备；
56.b)与在步骤a)中检测到的外部单元建立无线链路；
57.c)向在步骤b)中与移动设备连接的外部设备发送关于时间值的请求；
58.d)响应于步骤c)下的请求，外部无线设备发送时间值；
59.e)计算时间延迟，该时间延迟等于请求针对外部设备的时间戳到接收到该时间值之间经过的时间的一半；并且基于该时间延迟，计算准确的关于外部设备的当前时间。
60.根据上面描述的过程设置的时间延迟和关于外部设备的当前时间用于向外部设备发送提供关于触发时间的信息的信号，并且用于向移动设备发送提供关于照片捕获时间的信息的请求。
61.一种用于使用用于移动设备的外部光源对场景进行照明的示例方法包括下述步骤：
62.a)进行外部光源与移动设备的连接和时间同步；
63.b)在中央处理单元接收到用于切换操作模式的信号的情况下，进行到所选择的操作模式的切换；
64.c)在外部光源的壳体上的输入按钮被致动的情况下，闪光装置的中央处理单元经由无线电链路向移动设备的操作系统发送用于捕获照片的信号；
65.d)在移动设备的操作系统通过该设备自身的用户接口或者从外部光源接收到用
于捕获照片的信号的情况下：
66.a.在移动设备的操作系统中设置用于捕获照片的时间；以及
67.b.移动设备的操作系统向外部光源发送包括关于触发闪光装置的时间和关于闪光功率的信息的信号。在明显均匀闪光模式下，外部光源还接收关于闪光的长度的信息。在频闪模式下，关于闪光频率的信息也被发送至外部光源。
68.本发明的外部光源可以附加地以惯性测量单元为特征，该惯性测量单元集成至外部光源的本体内的电子电路中。cpu执行和控制与惯性测量单元的通信。到目前为止可用的不以该传感器为特征的闪光单元不能向移动设备发送包括关于闪光单元的光轴所面向的方向的信息的信号。详述关于外部光源的方向的信息的信号可以使得外部光源能够计算实现针对照片的最佳照明所需的闪光功率。例如，移动设备可以使用从外部光源的cpu接收到的闪光指向最高限度(ceiling)的信号，并且因此移动设备可以因为基于预期的光束漫射而增加发光功率。
69.与充分执行的移动设备结合使用的用于移动设备的外部光源可以使得能够捕获与利用dslr摄像装置获得的结果相当质量的照片。同时，与相当的dslr系统或无反光镜摄影系统相比，包括移动设备和外部光源的摄影系统占用少得多的空间，从而使其更便携。
70.附加地，单个移动设备可以与多个外部光源连接。在这种情况下，可以分别与每个外部光源执行时间同步。为了做到这一点，必须保存关于每个单独的外部光源的精确时钟的数据，以及关于每个单独的外部光源的时间延迟的数据。外部光源中的每一个可以被设置为操作模式中的任一种，但是通常所有单元都被设置为相同的操作模式。所述设置可以由移动设备经由无线电链路向每个外部光源发送下述信号来设置：该信号设置使用单独闪光和在该操作模式下的闪光功率；或者使用明显均匀闪光、在该操作模式下的闪光功率和闪光的持续时间。
71.在建立连接和时间同步之后，每个单独的外部光源的cpu继续等待用于捕获照片的信号，该信号可以从下述接收：
72.a)从检测位于外部光源的本体上的输入按钮的致动的电路接收；或者
73.b)经由无线电链路从移动设备接收。
74.所述设置可以由移动设备经由无线电链路向每个外部光源发送下述信号来设置：该信号设置使用单独闪光和在该操作模式下的闪光功率；或者使用明显均匀闪光、在该操作模式下的闪光功率和闪光的持续时间。
附图说明
75.下面将通过实现方式示例和附图展示来描述本发明的用于移动设备的光源：
76.图1示出了根据实现方式示例的立体投影和仰视图；
77.图2示出了根据实现方式示例的框图；
78.图3是根据实现方式示例的连接和时间同步过程的图；
79.图4是根据实现方式示例的对象/场景的照明过程的图。
具体实施方式
80.在图1中示出了根据第一实现方式示例的外部照明源的一般外部设计。外部照明
源包括具有用于发射光的窗口2的壳体1。外部照明源还可以包括状态指示器3。外部照明源还可以包括多功能输入按钮4。外部照明源还可以包括充电端口5。外部照明源还可以包括安装插孔6。安装插孔6在所示的示例中是具有螺纹的孔。在所示的示例中，状态指示器3、多功能输入按钮4、充电端口5和安装插孔6布置在壳体1的外部处。
81.壳体1还以包括在内部或者位于其外部的下述元件为特征：
82.‑
线性闪光管，该线性闪光管通过适当成形的壳体窗口2发射光。闪光管在至少两种模式下操作：
83.ο单次闪光模式。单次闪光模式的功率设置可以在从最大闪光功率到最大可能的闪光功率的1/512的范围内，
84.ο明显均匀闪光模式。闪光的持续时间可以高达40ms，并且优选地在4ms到25ms之间，
85.ο可选的频闪操作模式。优选地频率高达100hz。
86.‑
电力源，诸如集成电池；
87.‑
电子电路，该电子电路用于向闪光管输送功率；
88.‑
igbt开关控制器和igbt开关；
89.‑
集成电路，该集成电路具有中央处理单元(cpu)和内置的蓝牙芯片；
90.‑
惯性测量单元(imu)；
91.‑
充电端口，优选地usb
‑
c阴性连接器；
92.‑
多功能输入按钮，该多功能输入按钮用于使设备通电和断电、用于触发对照片的捕获、用于在操作模式之间进行切换或者用于重置设备；
93.‑
rgbw led，该rgbw led用于模拟光、作为辅助光或作为用于视频记录的照明源。
94.图2示出了根据实现方式示例的框图，其包括：移动设备7；外部光源中的电子电路8，电子电路8包括集成电路9，其中，集成电路9包括蓝牙芯片10和中央处理单元11；被布置成检测空间取向的惯性测量单元(imu)12；输入按钮13；以及用于向闪光管17供应功率的电子电路14，该电子电路14至少包括：
95.‑
电容器15，优选地具有500微法拉到1500微法拉之间的电容；
96.‑
电力源，诸如集成电池；
97.‑
变压器，该变压器用于将集成电池的电压转换为高电压；高电压优选地在300伏到400伏之间的范围内，
98.‑
控制器，该控制器用于电容器15的充电，
99.‑
igbt开关控制器和igbt开关16，
100.‑
氙气闪光管17。
101.图3示出了根据实现方式示例的连接和时间同步过程的图。在步骤18中移动设备首先搜索外部光源并且在步骤19中将移动设备与该外部光源连接。所述搜索以及移动设备与外部光源之间的连接利用蓝牙芯片和移动设备中的相应部件以使得能够进行蓝牙连接。然后，在步骤20中移动设备向所连接的设备发送该移动设备针对时间值的请求。然后，在步骤21中外部单元回复该请求并且发送回该外部单元的时间值。在步骤22中移动设备接收该时间值。基于在已经发送至外部单元的针对时间值的请求与所接收到的时间值之间经过的时间，在步骤23中移动设备确定关于外部单元的精确的当前时间以及与外部单元通信必须
考虑的时间延迟。从步骤20到步骤23并且包括步骤23的步骤旨在用于外部单元与移动设备之间的时间同步。
102.图4示出了根据实现方式示例的对对象或场景进行照明的过程。步骤24包括如步骤20至步骤23所述的移动设备与外部光源之间的时间同步。操作系统通过如下方式接收用于捕获照片的信号：
103.·
在外部光源的壳体上的输入按钮被致动之后，经由蓝牙链路从该外部光源的中央处理单元接收；或者
104.·
从移动设备的用户接口接收。
105.在步骤25中接收到用于捕获照片的信号时，在步骤26中移动设备的操作系统对在时间点内捕获照片进行调度，并且在步骤27中基本上同时向外部光源发送详述关于闪光激发时间和闪光功率的信息的信号。如果外部光源被设置为明显均匀闪光模式，则发送至该外部光源的信号还包括与闪光的持续时间有关的信息。如果外部光源被设置为频闪操作模式，则发送至该外部光源的信号还包括与闪光频率有关的信息。在步骤28中，如果移动设备向外部光源发送用于切换操作模式的信号，那么在步骤29中外部光源将切换到所选择的模式。在照片捕获启动的时刻，触发闪光装置的过程如下：外部光源的cpu将关于调制参数的信息发送至igbt开关控制器，该igbt开关控制器进而开始对igbt栅极处的电压进行调制。因此，已充电的电容器将与闪光管连接一次或多次，闪光管根据在步骤28中设置的操作模式将发射单次闪光或多次闪光。