具有可调节图像获取速度的数字夜视设备的制作方法

1.本发明涉及数字夜视设备的领域。


背景技术：

2.在现有技术中，已知两大系列的夜视设备，旨在安装在用户的头部，以使用户能够实时观察周围场景，尽管在所述场景低照度时也能够实时观察周围场景。
3.第一系列的夜视设备基于图像增强技术对模拟设备进行分组。该技术使用图像增强管，包括能够将入射光子通量转换为初始电子通量的光电阴极。所述初始电子通量传播到倍增装置。入射到倍增装置上的每个电子导致多个次级电子被发射。因此，产生了强电子通量。强电子通量由荧光屏接收，该荧光屏将所述强电子通量转换为强光子通量。所述强光子通量对应于入射到光电阴极上的光子通量，但强度更高。周围场景的变化与其在由夜视设备形成的图像上的转变(translation)(或换能(transduction))之间的延迟仅为1毫秒的量级。
4.第二系列的夜视(或低水平光)设备基于使用传感器阵列的图像获取以及显示屏上获取到的图像的恢复来对数字设备进行分组。传感器阵列将入射光通量转换为电信号。电信号随后被传送到例如液晶显示类型的显示屏，用于显示表示入射到传感器阵列上的光通量的分布的图像。传感器阵列包括在可见光谱和/或红外光谱中敏感的传感器，用于获取昏暗场景的图像(增强的或未增强的)或所述场景的红外图像。
5.所述第二技术与在移动期间使用的兼容性，特别是与将其携带在用户头上的兼容性，受到用户可能感觉到的恶心感觉的限制。所述恶心感觉是由周围场景上的变化与在其在显示屏上形成的图像上的转变(或换能)之间的延迟引起的。延迟与传感器阵列的图像获取的频率相关。所述获取的频率通常等于25hz，或大约为50hz，其对应于40ms或大约20ms的延迟。当用户的头部相对于周围场景移动时，尤其是当他转动其头部时，所述高延迟会引起用户的不适感。
6.本发明的一个目的是提出一种数字夜视设备，使得当用户的头部相对于周围场景移动时，尤其是当他转动头部时，能够防止用户的任何不适感。


技术实现要素：

7.所述目的通过旨在安装在用户的头部的夜视设备来实现，包括：
[0008]-至少一个传感器阵列；和
[0009]-显示屏，其被配置成显示使用传感器阵列获得的图像。
[0010]
根据本发明，夜视设备还包括：
[0011]-速度测量设备，其与包括至少传感器阵列和显示屏的组件一体安装的；以及
[0012]-控制设备，其被配置成接收由速度测量设备提供的至少一个速度测量值作为输入，并作为响应对传感器阵列的图像获取的频率进行控制，使得当所述速度测量增加时，图像获取的频率增加。
[0013]
在数字夜视设备的背景下，应当理解，传感器阵列包括用于获取昏暗场景的图像和/或所述场景的红外图像的在可见光谱中高度敏感的传感器和/或在红外光谱中敏感的传感器。更具体地，红外光谱指定了从700nm到0.1mm的波长的范围。
[0014]
为了防止当用户头部相对于周围场景移动时用户的任何不适感，一个显而易见的解决方案包括：不管夜视设备的使用条件如何都减少延迟。然而，低延迟以及因此传感器阵列的获取的快速频率导致所述传感器的低积分时间，这与夜视设备的环境中所需的高灵敏度相矛盾。
[0015]
本发明的基本思想在于注意到，当用户的头部相对于周围场景移动时，用户很少注意他在显示屏上看到的图像的细节。然后，与用户的头部相对于周围场景不动或几乎不动的时间段相比，可以接受所述图像质量的降质。
[0016]
因此，根据本发明的夜视设备被配置成使传感器阵列的图像获取的频率适应于用户的头部相对于所述周围场景的移动速度。当用户的头部相对于周围场景不动或几乎不动时，图像获取的频率较慢，这使得即使在光照条件较差的条件下仍能够获取周围场景的高质量图像(传感器阵列的传感器的积分时间高，因此信噪比良好)。当用户的头部相对于周围场景移动时，图像获取的频率增加，这使得能够防止用户的任何不适感。所述图像获取的频率的增加导致由传感器阵列获取的图像的质量损失。然而，由于上述原因，因为只有当用户的头部相对于周围场景移动时才发生，因此所述质量损失被接受的。
[0017]
因此，本发明提出了一种数字夜视设备，在用户头部相对于周围场景移动时，能够防止用户的任何不适感，而不会降低对由该设备提供的夜视质量的感知。
[0018]
本发明的可选特征在从属权利要求中提及。
[0019]
本发明还涵盖一种调整图像获取的频率的方法，所述方法在根据本发明的安装在用户头部的夜视设备中执行，该方法包括：
[0020]-使用速度测量设备，测量包括至少传感器阵列和显示屏的组件的至少一个速度；
[0021]-使用控制设备，控制传感器阵列的图像获取的频率，使得当所述速度测量值增加时，图像获取的频率增加。
附图说明
[0022]
在参照附图的同时阅读仅以指示性和非限制性的示例的形式给出的实施例的示例的描述时可以更好地理解本发明，在附图中：
[0023]
[图1a]示意性地示出了安装在用户头部的根据本发明的夜视设备；
[0024]
[图1b]示意性地示出了根据本发明的夜视设备；
[0025]
[图2a]示意性地示出了在根据本发明的夜视设备中实施的方法的第一实施例；
[0026]
[图2b]示意性地示出了在根据本发明的夜视设备中实施的方法的第二实施例；
[0027]
[图2c]示意性地示出了在根据本发明的夜视设备中实施的方法的第三实施例；以及
[0028]
[图3]示意性地示出了当用户的头部移动时，根据本发明的夜视设备中的图像获取。
具体实施方式
[0029]
图1a示意性地示出了安装在用户的头部200上的根据本发明的夜视设备100。夜视设备100形成便携式设备，能够通过在与眼睛水平处覆盖其面部的至少一部分而安装在用户的头部200上。夜视设备100例如以护目镜、面罩或集成夜视设备元件的头盔的形式呈现。在使用期间，夜视设备100相对于用户的头部200是静止的。
[0030]
图1b示意性地示出了夜视设备100。夜视设备100特别地包括换能模块(transduction module)110，其产生将周围场景中的光信号的分布到能够被用户看到的图像的换能。
[0031]
换能模块110在此包括传感器阵列120和显示屏130。
[0032]
传感器阵列120包括多个传感器121，多个传感器根据规则网格分布的，例如以非限制性的方式成行和列分布。
[0033]
传感器121各自能够将入射光通量转换为电信号。
[0034]
传感器121可以包括在可见光谱(400nm至700nm之间)中敏感的高灵敏度传感器，和/或在红外光谱中例如在700nm至1700nm范围内、或700nm至1100nm范围内、或700nm至900nm范围内、或8μm至12μm范围内的光谱带上敏感的传感器。
[0035]
每个传感器121可以由以下元件形成：
[0036]-用于低水平光的称为lll的cmos传感器，能够检测非常低强度的光线；或
[0037]-用于电子轰击cmos传感器的称为eb-cmos的传感器，包括用于将入射光子通量转换为电子通量的光电阴极和能够将入射电子通量转换为电测量信号的cmos传感器；或
[0038]-用于增强型cmos的称为i-cmos的传感器；或
[0039]-红外光电二极管，等等。
[0040]
传感器阵列120可包括多种类型的传感器，其不同之处在于例如其光谱灵敏度带，且分布到多个相互交错甚至并列的基本阵列中。根据一个未示出的变型，根据本发明的夜视设备包括多个不同且并列的传感器阵列，这些传感器阵列不同之处在于组成相同的传感器的类型，其中各种类型的传感器通过其光谱灵敏度带而彼此区别。在所述两个变型中，至少一个传感器阵列连接到处理模块，该处理模块被配置成接收由至少一个传感器阵列中的每个传感器提供的电信号作为输入，并使用所述信号形成称为合并图像的图像，将相对于各种光谱检测频带的数据进行分组。
[0041]
显示屏130连接到传感器阵列120，并被配置成响应于接收直接或间接来自传感器阵列的电信号而以可见光显示图像。特别地，显示屏在400nm至700nm的范围的波长处发射。
[0042]
优选地，显示屏130被配置成以灰阶显示图像。灰阶的图像由像素组成，这些像素不同之处仅在于其光强度。实际上，被称为灰阶的图像可以以绿色呈现。显示屏130例如是液晶显示器(liquid crystal display，lcd)。
[0043]
这里，显示屏130被配置成接收由传感器阵列120直接提供的电信号作为输入。根据未示出的变型，显示屏130被配置成接收间接来自至少一个传感器阵列的电信号作为输入。所述电信号然后由处理模块或处理器提供，其将被提供为至少一个传感器阵列的输出的第一电信号转换成发送到屏130的第二电信号。所述处理模块例如是如上所述的处理模块，被配置成合并与各种光谱检测范围相关的数据。特别地，传感器阵列120可以包括各种类型的传感器，其不同之处在于各自光谱灵敏度范围，并且处理模块被配置成根据专用算
法合并来自每种类型的传感器的数据。由此生成的合并图像由屏130显示。
[0044]
因此，夜视设备100基于对昏暗场景的数字检测形成数字设备。
[0045]
在不脱离本发明范围的情况下，可以实现换能模块110的许多变型。例如，传感器阵列可以包括其光谱灵敏度范围不仅延伸在红外光谱中，而且延伸到红外光谱之外的传感器。传感器阵列可以包括各种类型的传感器，其不同之处在于其各自的光谱灵敏度范围。或者，传感器阵列的所有传感器是相同类型的传感器，特别是在可见光谱中敏感的高灵敏度传感器或在属于红外光谱的相同光谱带上敏感的传感器。根据其他变型，传感器阵列还包括在可见光谱(400nm至700nm之间)中敏感的传感器和/或在近紫外光谱(200nm至400nm之间)中敏感的传感器和/或在紫外光谱(10nm至200nm之间)中敏感的传感器，优选地，传感器阵列的传感器中的大多数传感器是在红外光谱中敏感的传感器或高灵敏度传感器。
[0046]
根据本发明，夜视设备100还包括速度测量设备140和用于控制传感器阵列120的图像获取的频率的控制设备150。
[0047]
速度测量设备140与包括至少传感器阵列120和屏130的组件一体安装。
[0048]
在操作期间，当夜视设备100位于用户的头部上时，速度测量设备140因此使能够测量用户的头部相对于地面参考系的移动速度。
[0049]
速度测量设备140被配置成测量至少一个线性速度和/或至少一个旋转速度。速度测量设备可以包括至少一个加速度计型的线性速度传感器、和/或陀螺仪型的至少一个旋转速度传感器。速度测量设备包括：例如三个线性速度传感器，用于根据正交坐标系的三个轴中的每一个测量线性速度；以及三个旋转速度传感器，用于测量围绕所述三个轴中的每一个的旋转速度。当速度测量设备包括多个速度传感器时，有利地，速度测量设备140包括处理器，该处理器被配置成组合由所述传感器中的每个提供的测量值，以便提供单个速度测量值作为输出。
[0050]
优选地，控制设备150包括中央单元，其具有执行保存在存储器中的程序的处理器。控制设备150被配置成：
[0051]-接收由速度测量设备140提供的速度测量值作为输入；
[0052]-产生对所述速度测量值的处理，以确定相对于传感器阵列120(当存在如上所述多个传感器阵列时，分别对应传感器阵列中的每个)的图像获取的频率的设定值；以及
[0053]-将传感器阵列120的图像获取的频率设定为所述设定值(当存在如上所述的多个传感器阵列时，分别设置由传感器阵列中的每个的图像获取的频率)。
[0054]
传感器阵列120的图像获取的频率是每单位时间的图像数目，其转变(或反映)传感器阵列120将周围场景中的光信号分布转换为电信号分布的速度。所述频率等于所述阵列获取周围场景的给定图像所需的持续时间的倒数。
[0055]
根据本发明，控制设备150被配置成定义所述设定值，使得由速度传感器测量的速度的高值对应于传感器阵列的图像获取的高频，反之，由速度传感器测量的速度的低值对应于传感器阵列的图像获取的低频。因此，当用户的头部移动时，传感器阵列120的图像获取的频率增加，这防止了用户的任何不适感。
[0056]
优选地，传感器阵列120是夜视领域中的常规传感器阵列，其被提供用于在低于100hz，例如50hz或25hz，的图像获取的标称频率下操作。
[0057]
当用户的头部相对于周围场景不动时，传感器阵列的图像获取的频率等于所述图
像获取的标称频率，这使得能够获取到高质量的图像。
[0058]
当用户的头部相对于周围场景移动时，例如当用户转动、抬起或低下其头部时，传感器阵列的图像获取的频率显著增加，以防止用户的任何不适感。然后，由传感器阵列获取的图像是降质图像。然而，所述图像降质发生在用户不注意他所看到的图像质量的瞬间。
[0059]
因此，本发明在使用具有合理成本价格的常规传感器阵列的同时，使得能够当用户的头部相对于周围场景移动时防止用户的任何不适感。此外，由于传感器阵列的图像获取的频率仅在给定的明确定义的时间间隔期间增加，因此根据本发明的夜视设备的平均能耗仍然有限。
[0060]
传感器阵列的图像获取的频率可达到至多1khz的值，对应于与模拟夜视设备的延迟相同的延迟。
[0061]
在每一时刻，屏130上的图像刷新的频率至少等于传感器阵列120的图像获取的频率。有利地，由屏130显示的图像的图像刷新的频率与传感器阵列的图像获取的频率不相关。然后，屏130可以具有恒定的图像刷新的频率，其大于或等于传感器阵列120的图像获取的频率的最大值。因此，提高了用户的视觉舒适感，同时确保用户以某一频率看到的一个接一个的图像，使得在用户的头部相对于周围场景移动的情况下，能够防止任何不适感。
[0062]
图2a示意性地示出了在如图1b所示的夜视设备中实施的方法的第一实施例。
[0063]
在第一步骤21a中，速度测量设备140测量包括至少传感器阵列120和显示屏130的组件的速度v(t)，并将所述速度测量值v(t)提供给控制设备150。速度v(t)可以是由速度测量设备140的多个速度传感器测量的多个速度的组合。
[0064]
在第二步骤22a中，控制设备150使用所述速度测量值v(t)来定义传感器阵列的图像获取的频率的设定值，并将传感器阵列120的图像获取的频率设定为所述设定值。所述设定值可以是速度测量值v(t)的线性函数。
[0065]
图2b示意性地示出了在如图1b所示的夜视设备中实施的方法的第二实施例。
[0066]
第一步骤21b对应于参照图2a描述的步骤21a。
[0067]
在第二步骤22b中，控制设备150将速度测量值v(t)与速度阈值vs进行比较。优选地，所述阈值vs存储在控制设备150的存储器中。
[0068]
当控制设备150确定速度测量值v(t)小于或等于速度阈值vs时，它定义与第一预定低值fb1对应的设定值，并将传感器阵列120的图像获取的频率设定为所述设定值(步骤23b)。
[0069]
相反地，当控制设备150确定速度测量值v(t)大于速度阈值vs时，其定义取决于速度测量值v(t)的设定值，并将传感器阵列120的图像获取的频率设定为所述设定值(步骤23b)。所述设定值和速度测量值v(t)之间的关系可以是线性的，但不是必须的。
[0070]
因此，它产生了图像获取的频率的稳定性，使得可以忽略不太可能给用户带来不适感的缓慢移动，或者太慢而使得用户不会看到图像的降质。
[0071]
图2c示意性地示出了根据本发明的方法的第三实施例，其仅针对相对于图2b的方法的差异进行描述。
[0072]
步骤21c至23c分别对应于参照图2b描述的步骤21b至23b。
[0073]
当控制设备150确定速度测量值v(t)大于或等于速度阈值vs时，它定义与严格大于fb1的预定高值fh对应的设定值，并将传感器阵列120的图像获取的频率设定为所述设定
值(步骤23c)。
[0074]
所述实施例特别简单，因为它仅包括两种操作模式，每种操作模式与传感器阵列的图像获取的频率的单个值相关联。
[0075]
根据一个有利的变型，根据本发明的控制设备可以被配置成确定用户的头部相对于周围场景的正在进行的移动的当前持续时间。换句话说，这涉及实时确定从用户的头部相对于周围场景移动的开始起所经过的时间。所述持续时间使用由速度测量设备提供的测量值通过考虑到当速度测量值大于预定速度阈值时开始移动，并且只要速度测量值大于所述预定速度阈值所述移动就继续来确定。
[0076]
控制设备150被配置成在每个瞬间将所述持续时间与持续时间阈值进行比较，并且只要移动的当前持续时间低于持续时间阈值，就将图像获取的频率设定为第二低值fb2。第一阈值fb1和第二阈值fb2可以相同或不同。
[0077]
因此，产生了一种稳定性，使得可以忽略在特别短的持续时间内发生的移动，例如与用户的抽搐有关的移动。
[0078]
传感器阵列的图像获取的频率的增加可以导致所述阵列的传感器的积分时间(传感器暴露于入射光信号的持续时间)的减少。然后，所述传感器中的每个对较少的光信号进行积分，因此提供较低的电信号作为输出。为了使随后由屏130显示的图像不太暗，因此增加屏幕的亮度以补偿积分时间的所述减少是有利的。然后，控制设备150被配置成进一步控制由屏130显示的亮度。特别地，控制设备150被配置成在增加由传感器阵列图像获取的频率同时增加所述亮度，反之亦然。屏幕的亮度的增加对应于由所述屏接收的作为输入的电信号的放大。由屏130显示的图像保持较低的质量，尤其在对比度方面，但是它具有提供良好视觉舒适性的亮度，类似于在没有用户头部移动的情况下由屏幕显示的图像的亮度(对于用户来说没有感觉到亮度变化)。
[0079]
根据另一有利的变型，控制设备150可以被配置成调整在传感器阵列上读取的传感器的数目。然后，控制设备150被配置成在增加传感器阵列的图像获取的频率的同时减少所述读取的传感器的数目，反之亦然。因此，可以减少与由传感器阵列获取给定图像相关的电耗，并因此至少部分补偿与由传感器阵列图像获取的频率的增加相关的夜视设备的电耗的增加。读取的传感器数目的减少对应于使用传感器阵列获取的图像的分辨率的降低。然而，所述分辨率的降低发生在用户对他所看到的图像的质量不太敏感的瞬间。
[0080]
读取的传感器以规则的间隔分布在传感器阵列120上。例如，在每n行传感器读取一行传感器，其中n为大于或等于2的整数。图3示意性地示出了根据本发明的夜视设备的传感器阵列120，当用户的头部相对于周围场景移动时，传感器l1行被读取(黑色)，而传感器l0行未被读取(白色)。或者，每m个相邻传感器组读取一个传感器，其中m为大于或等于2的整数。可以交替读取传感器阵列的各种传感器，使得在每次图像获取时，仅读取传感器阵列中的一些传感器，并使得在j次图像获取之后，至少读取了一次传感器阵列中的所有传感器，j为大于或等于2的整数。在全文中，术语“行”和“列”可以倒置。
[0081]
传感器阵列可以是全局快门传感器阵列，其中所有传感器同时暴露于周围光线(积分的)，然后一起快门以读取其各自的电信号。
[0082]
可选地，传感器阵列可以是滚动快门传感器阵列，其中传感器行接连暴露于周围光线，并且一行传感器的电信号在暴露下一行传感器的同时读取。在这种情况下，传感器阵
列上读取的传感器行数的减少自动导致由传感器阵列获取图像的时间的减少。换句话说，传感器阵列上读取的传感器行数的减少然后自动导致传感器阵列的图像获取的频率的增加。有利地，根据本发明的控制设备然后被配置成通过控制在所述传感器阵列上读取的传感器的行数来控制所述传感器阵列的图像获取的频率(每n行传感器为1行，n为大于或等于2的整数)。然后，传感器阵列的图像获取的频率的增加自动伴随着对夜视设备的电耗的相应增加的至少部分的补偿。需要注意的是，在所述实施例中，传感器阵列的图像获取的频率的增加导致所获取的图像的分辨率的降低，但不导致其亮度的降低。
[0083]
附加地或替代地，控制设备150可以被配置成进一步调整在屏130上激活的像素的数目。然后，控制设备150被配置成减少所述激活的像素数目的同时，增加传感器阵列的图像获取的频率，反之亦然。因此，它可以至少部分地补偿夜视设备的与传感器阵列的图像获取的频率的增加相关联的电耗的增加。可以仅激活屏130的与传感器阵列的读取传感器相关联的像素。或者，在屏130上激活的像素的数目与传感器阵列上的读取传感器的数目不相关。
[0084]
根据其他变型，根据本发明的夜视设备包括光度(luminosity)测量元件，其被配置成获取在夜视设备的外部环境中的环境光度的测量值。然后，控制设备150被配置成接收使用所述光度测量元件获取的光度测量值作为输入，并作为响应对传感器阵列120的图像获取的频率进行控制，使得当环境光度测量值增加时，图像获取的频率增加。除了根据由设备140提供的速度测量值来控制所述相同频率之外，优选地实施根据环境光度对图像获取的频率的所述控制。特别地，控制设备150可以被配置成根据环境光度设定图像获取的标称频率，其中，当光度增加时，所述图像获取的标称频率增加(反之亦然)，并且当用户的头部相对于周围场景不动时(测量的速度为零或低于预定阈值)，所述图像获取的标称频率对应于图像获取的频率。随后，图像获取的频率取决于所述图像获取的标称频率和由设备140提供的速度测量值。特别地，当由设备140提供的速度测量值增加时，有效执行的图像获取的频率相对于所述图像获取的标称频率增加。光度测量元件可以由诸如在可见光谱中敏感的光电二极管之类的附加传感器形成，或者由传感器阵列120的至少一部分形成。在所述变型中，控制设备还可以被配置成：根据图像获取的频率进一步控制显示屏显示的亮度、和/或在传感器阵列120上读取的传感器的数目、和/或在显示屏上激活的像素的数目，图像获取的频率随后根据取决于环境光度的获取图像的标称频率。
[0085]
本发明还涵盖一种在根据本发明的夜视设备中执行的用于调整图像获取的频率的方法，该方法包括：
[0086]-使用速度测量设备，测量包括至少传感器阵列和显示屏的组件的速度；
[0087]-使用控制设备，控制传感器阵列的图像获取的频率，使得当所述速度测量值增加时，图像获取的频率增加。
[0088]
控制所述图像获取的频率的步骤可以产生图像获取的频率到取决于(线性或非线性)由速度测量设备提供的速度测量值的调整。
[0089]
根据本发明的方法可以包括在由速度测量设备提供的速度测量值与速度阈值之间进行比较的步骤，并当所述速度测量值低于速度阈值时，控制所述图像获取的频率的步骤可以产生将图像获取的频率到第一预定低值的调整。
[0090]
如果适用，当所述速度测量值大于所述速度阈值时，控制所述图像获取的频率的
步骤可以产生图像获取的频率到预定高值的调整，该预定高值严格高于第一预定低值。
[0091]
或者，当所述速度测量值大于所述速度阈值时，控制所述图像获取的频率的步骤可以产生图像获取的频率到取决于(线性或非线性)由所述速度测量设备提供的速度测量值的值的调整。
[0092]
根据本发明的方法可以包括：根据由速度测量设备提供的速度测量值来确定正在进行的移动的当前持续时间的步骤，将所述当前持续时间与持续时间阈值进行比较的步骤，其中，控制所述获取图像的频率的步骤只要所述当前持续时间低于所述持续时间阈值，则将获取图像的频率设定为第二预定低值。
[0093]
根据本发明的方法可以执行在显示屏上显示的图像的刷新，其中在显示屏上显示的图像的图像刷新的频率与传感器阵列的图像获取的频率不相关。所述图像的刷新的频率也可以等于传感器阵列的图像获取的频率的最大值。
[0094]
根据本发明的方法可以包括根据图像获取的频率控制由显示屏显示的亮度的步骤，其中，该亮度随着图像获取的频率而增加。
[0095]
根据本发明的方法可以包括根据图像获取的频率控制在传感器阵列上读取的传感器的数目的步骤，其中，当图像获取的频率增加时读取的传感器的数目减少。
[0096]
如果适用，传感器阵列被配置成逐行执行传感器的读取，并且通过控制在传感器阵列上读取的传感器的行数来执行控制传感器阵列的图像获取的频率的步骤。
[0097]
根据本发明的方法可以包括根据图像获取的频率控制在显示屏幕上激活的像素的数目的步骤，其中，当图像获取的频率增加时，激活的像素的数目减少。