Прожектор с дифракционным микрорельефом для системы наблюдения - RU2431774C2

Чертежи

Показать все 16 чертежа(ей)

Описание

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение относится к области технических средств освещения в инфракрасном диапазоне для обеспечения видеонаблюдения в условиях слабого естественного освещения и к применению рефракционных технологий, в частности специального материала с дифракционным микрорельефом. Оно также относится к широкоугольным системам видеонаблюдения, предназначенным, например, для считывания номерных знаков автомобилей на многополосных автомагистралях.

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В соответствии с законом обратно пропорциональной квадратичной зависимости уровня освещенности интенсивность света, падающего на некоторый объект, уменьшается обратно пропорционально квадрату расстояния до этого объекта. При использовании камеры с объективом для обзора типичной зоны наблюдения получаемое изображение содержит передний план и фон. Количество света, необходимое или оптимальное для освещения переднего плана зоны объекта, обычно намного меньше, чем количество света, необходимое для освещения фона зоны объекта. Кроме того, зоны наблюдаемых объектов, как правило, больше вытянуты в горизонтальном направлении, поскольку большая часть объектов располагается на горизонтальной поверхности земли, по которой передвигаются люди или транспортные средства.

Большинство систем освещения формирует кругообразно расходящийся пучок света, и при использовании их с камерой специалист по установке систем должен направлять наиболее интенсивную часть пучка на наиболее удаленную точку объекта. Для фиксированного расстояния до объекта существует оптимальный профиль пучка по вертикали. При осуществлении наблюдения для одного и того же расстояния и для круговой диаграммы направленности прожектора при увеличении угла расхождения пучка излучаемого им света работа прожектора все больше отклоняется от оптимального профиля по вертикали, и в этом случае все большая часть излучения тратится без всякой пользы. Более того, поскольку наиболее интенсивная часть излучения источника направлена выше линии объекта, то значительная часть света проходит над зоной объекта и, соответственно, не используется.

Существует множество систем, в которых используется подсветка инфракрасным излучением для фотографирования или видеосъемки в условиях недостаточного естественного освещения. Также существует много систем, в которых для такой подсветки используются светодиоды. В некоторых из таких систем для получения рассеянного или сфокусированного освещения используются преломляющие или отражающие элементы.

Прожекторы, в которых используются светодиоды с рефракционными или отражающими элементами для улучшения характеристик освещения, могут содержать различные типы преломляющих элементов, которые направляют свет от светодиодов таким образом, чтобы изменять распределение освещения объекта и/или повышать эффективность освещения, что позволяет экономить потребляемую энергию.

Также существует ряд устройств, в которых источники света снабжены микропризмами или аналогичными устройствами, преломляющими свет для направления на объект. Некоторые из таких устройств используются в прожекторах или в аналогичных системах для задней подсветки.

Потребность в настоящем изобретении связана с необходимостью решения ряда технических проблем, связанных с обеспечением подсветки для видеонаблюдения с использованием широкоугольной аппаратуры при низком уровне естественного освещения, в частности для фиксации и распознавания номерных знаков автомобилей в условиях, когда на камеру видеонаблюдения может быть направлен свет фар автомобилей. Существует потребность в обеспечении импульсного режима подсветки в системе наблюдения для экономии потребляемой энергии. Также существует потребность в синхронизации работы камеры наблюдения при использовании режима импульсной подсветки движущегося объекта. Кроме того, существует потребность в обеспечении подсветки широкой зоны в случае пересечения автомобилями полос автомагистрали или при наблюдении за автомобилями, двигающимися по нескольким полосам. Также существует потребность в обеспечении эффективной подсветки, угол которой соответствует углам обзора широкоугольных камер высокого разрешения для чтения быстродвижущихся номерных знаков, имеющих малые размеры по сравнению с размерами поля наблюдения, захватывающего всю многополосную автомагистраль.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В настоящем изобретении предлагается система наблюдения с прожектором, в котором перед светоизлучающей системой, такой как, например, матрица инфракрасных светодиодов, устанавливается материал с дифракционным микрорельефом для изменения формы пучка света, используемого для подсветки объекта при необходимости наблюдения с широким полем зрения в условиях низкого уровня естественного освещения. Освещенность поля подсветки характеризуется эллиптическим распределением Гаусса. Прожектор предназначен для использования вместе с широкоугольной камерой наблюдения, характеристическое отношение поля зрения которой соответствует диаграмме направленности прожектора. Такое сочетание, обладающее признаком новизны, представляет серьезное продвижение вперед в повышении качества подсветки в системах видеонаблюдения и для фотографирования и видеосъемки в ночное время, поскольку в этом случае обеспечиваются расширенные диаграммы направленности по горизонтали без нарушения оптимальности диаграммы направленности по вертикали.

Настоящее изобретение обеспечивает: возможность получения асимметричной диаграммы направленности прожектора подсветки, в результате чего повышается чувствительность при широкоугольной фото- и видеосъемке, например в случае наблюдения за дорожным движением по многополосным автомагистралям; оптимизацию угла расхождения пучка света по вертикали при распределении в соответствии с квадратом косеканса для более эффективной подсветки фона; уменьшение количества светодиодов, которые использовались бы в известных системах для обеспечения нового распределения; и уменьшение светового загрязнения среды, в том числе загрязнения в невидимой части спектра.

Настоящее изобретение может быть полезным для применения в интеллектуальных системах обеспечения безопасности дорожного движения, в которых наблюдение многополосных автомагистралей осуществляется с использованием широкоугольных камер с высоким разрешением совместно с широкоэкранными мониторами. В предлагаемой в настоящем изобретении системе наблюдения с прожектором обеспечивается меньше света в верхней и нижней частях поля зрения, то есть там, где он не нужен, и больше света в расширенной центральной зоне. Поэтому предлагаемая система наблюдения с прожектором обеспечивает экономию энергии. Такая система обеспечивает эффективное использование источника света системы освещения с определенными характеристиками мощности и рассеивания тепла для освещения необходимой зоны, имеющей достаточно протяженные размеры по горизонтали. Таким образом, в целом требуется меньше света для получения изображений сверхвысокого качества небольших частей объектов на месте происшествия, поскольку свет более эффективно концентрируется на частях объектов с помощью материала с дифракционным микрорельефом.

В изобретении предлагается система наблюдения с прожектором, в котором материал с дифракционным микрорельефом, который является "однонаправленным", то есть статистически более направленным для света в первой плоскости по сравнению с другой плоскостью, например в горизонтальной плоскости по сравнению с вертикальной плоскостью, устанавливается перед светоизлучающей системой, содержащей источники света, такой как, например, плоская матрица светодиодов, излучающих свет с длиной волны порядка 850 нм, в инфракрасном диапазоне от 700 нм до 1000 нм. В наиболее эффективном варианте осуществления изобретения система содержит камеру наблюдения, характеристическое отношение поля зрения которой соответствует диаграмме направленности прожектора, обеспечиваемой материалом с однонаправленным дифракционным микрорельефом, который установлен перед светоизлучающей системой.

В соответствии с настоящим изобретением может использоваться двойной слой материала с дифракционным микрорельефом, который содержит горизонтальную и вертикальную группы материалов для получения различных асимметричных комбинаций из меньшей подгруппы форм линзы, и в некоторых комбинациях может быть расширен максимальный угол преломления.

В соответствии с настоящим изобретением могут также использоваться различные материалы с дифракционным микрорельефом выше средней линии прожектора и ниже этой линии, что позволяет получить асимметричную форму диаграммы направленности по вертикали, в результате чего обеспечивается более эффективное использование света и, соответственно, увеличенная дальность действия прожектора.

Таким образом, при использовании изобретения обеспечивается существенное увеличение дальности действия по сравнению с известными прожекторами, например, 110 м по сравнению с 54 м для источника света, содержащего светодиоды с углом рассеяния света, равным 60°, до его дифракции на микрорельефе. Кроме того, настоящее изобретение позволяет обеспечить более равномерное отношение освещенности переднего плана и фона, что позволяет получать существенно более качественные изображения, поскольку в этом случае камера не должна подстраивать экспозицию по переднему плану; таким образом, изобретение позволяет лучше использовать свет, направляемый на зону объекта.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фигура 1А - схематический вид сверху части прожектора, на котором показана схема прохождения лучей света, испускаемого светоизлучающей системой, через материал с однонаправленным дифракционным микрорельефом, в котором происходит дифракция света в горизонтальной плоскости.

Фигура 1В - схематический вид сбоку части прожектора, на котором показана схема прохождения лучей света, испускаемого светоизлучающей системой, через материал с однонаправленным дифракционным микрорельефом, в котором происходит незначительная дифракция света в вертикальной плоскости.

Фигура 2А - вид горизонтального сечения материала с однонаправленным дифракционным микрорельефом.

Фигура 2А - вид вертикального сечения материала с однонаправленным дифракционным микрорельефом.

Фигура 3 - вид структуры материала с дифракционным микрорельефом при сильном увеличении.

Фигура 4 - вид в перспективе прямоугольной светодиодной матрицы, на котором показано устройство теплоотвода и источник постоянного тока.

Фигура 5 - вид в перспективе материала с однонаправленным дифракционным микрорельефом, который наложен на прямоугольную светодиодную матрицу.

Фигура 6 - вид объекта, подсвеченного известным инфракрасным прожектором. На данном виде иллюстрируется снижение плотности энергии для круговой диаграммы направленности прожектора, по мере того как пучок становится шире, чтобы соответствовать протяженности асимметричного объекта.

Фигура 7 - вид объекта, подсвеченного прожектором, в котором используется прямоугольная светодиодная матрица и материал с однонаправленным дифракционным микрорельефом. Можно видеть, что при использовании эллиптической или асимметричной диаграммы направленности потери света практически отсутствуют.

Фигура 8 - вид другого варианта осуществления настоящего изобретения, в котором выше средней линии прожектора используется другой материал для обеспечения асимметричности диаграммы направленности по вертикали.

Фигура 9А - график функции распределения света, излучаемого прожектором, в координатах количества света и угла расхождения пучка света по горизонтали. Показана полная ширина на уровне половины максимального значения функции (FWHM).

Фигура 9А - график функции распределения света, излучаемого прожектором, в координатах количества света и угла расхождения пучка света по вертикали. Показана полная ширина на уровне половины максимального значения функции (FWHM).

Фигура 10А - схематический вид автомобиля с номерным знаком, подсвеченным известным прожектором с круговой диаграммой направленности.

Фигура 10В - схематический вид двух автомобилей с номерными знаками, подсвеченными пучком света с примерно такой же площадью сечения пучка в случае использования прожектора со светоизлучающей системой и с материалом с дифракционным микрорельефом.

Фигура 11А - схематический вид контролируемой зоны четырехполосной автомагистрали, подсвеченной прожектором со светоизлучающей системой и с материалом с дифракционным микрорельефом, и схематический вид изображения этой зоны, полученного с помощью широкоугольной камеры видеонаблюдения и отображенного на широкоэкранном мониторе.

Фигура 11В - схематический вид контролируемой зоны четырехполосной автомагистрали, подсвеченной прожектором со светоизлучающей системой и с материалом с дифракционным микрорельефом, и получение изображений с использованием четырех камер видеонаблюдения (две полосы в каждый момент времени). Комбинированное изображение отображается на широкоэкранном мониторе.

Фигура 12А - вид сверху части прожектора, на котором показана схема прохождения лучей света, испускаемого светоизлучающей системой, через сферическую линзу для сужения пучка перед его прохождением через материал с однонаправленным дифракционным микрорельефом, в котором происходит горизонтальная дифракция света.

Фигура 12В - вид сбоку части прожектора, на котором показана схема прохождения лучей света, испускаемого светоизлучающей системой, через сферическую линзу для сужения пучка перед его прохождением через материал с однонаправленным дифракционным микрорельефом, в котором происходит незначительная вертикальная дифракция света.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

На фигуре 1А приведен схематический вид сверху светоизлучающей системы 11, которая содержит практически точечные источники света, такие как, например, 12 и 13, испускающие лучи света 17, проходящего через материал 14 с однонаправленным дифракционным микрорельефом, после которого они расходятся в горизонтальной плоскости, как показано в точке 18, так что световые лучи 15 и 16 выходят под увеличенными углами.

На фигуре 1В приведен схематический вид сбоку светоизлучающей системы, причем точечный источник 12 света показан вверху, а показанные точечные источники 2, 3 расположены ниже плоскости фигуры 1А и поэтому на ней не видны. Свет от системы 1 проходит через материал 4 с дифракционным микрорельефом, причем благодаря характеристике однонаправленности материала 4 свет проходит через него без существенного расхождения лучей по вертикали в точке 8. Направление лучей 5 и 6 света, выходящих из прожектора, практически не меняется.

На фигуре 2А пучок света, излучаемый светодиодом 20 и ограниченный лучами 25, 26, проходит через линзу 21 дифракционного микрорельефа на увеличенном горизонтальном сечении полосы 22 материала с дифракционным микрорельефом. Лучи 25, 26 преломляются на большие углы в точках 23 и 24 линзы 21 дифракционного микрорельефа. Новые траектории лучей указаны ссылочными номерам 27, 28, а продолжения исходных лучей показаны пунктирными линиями.

На фигуре 2В пучок света, излучаемый светодиодом 30 и ограниченный лучами 34, 35, проходит через увеличенное вертикальное сечение полосы 32 материала с дифракционным микрорельефом. Новые траектории лучей 34, 35 указаны ссылочными номерами 36, 37 соответственно и практически совпадают с их исходными траекториями. Это является результатом того, что структура полосы материала с дифракционным микрорельефом практически прямолинейна по вертикали. При таком увеличении совершенно не видна кривизна, которая могла бы формировать линзу, и в точках 31, 33 отсутствует видимое отклонение лучей.

На фигуре 3 представлен сегмент материала с дифракционным микрорельефом, сильно увеличенным с помощью микроскопа, на котором видны преломляющие структуры 122, 123, 124, 125, размеры которых находятся в нанометрическом диапазоне и форма которых напоминает волны. Длина и относительная прямолинейность гребней волн обеспечивают гораздо меньшую дифракцию в вертикальной плоскости по сравнению с горизонтальной плоскостью. Проходящие в одном направлении нанометрические структуры обеспечивают рефракцию света статистически под разными углами в разных плоскостях, например в горизонтальной и вертикальной плоскостях.

Как можно видеть на фигуре 4, прямоугольная светодиодная матрица 41 установлена в раме 42 кожуха 43 прожектора. Кожух 43 снабжен устройством 45 теплоотвода и источником 46 постоянного тока. Он может быть установлен с помощью кронштейна 44. Переднее окно 47 светоизлучающей матрицы обладает свойствами оптического фильтра, который пропускает практически все излучение в инфракрасном диапазоне и задерживает излучение с более короткими длинами волн.

На фигуре 5 показана полоса материала 50 с дифракционным микрорельефом, покрывающего небольшую часть светодиодной матрицы 51. Светодиоды, например светодиоды 52, 54, кажутся слегка размытыми под листом материала 50 с дифракционным микрорельефом. Светодиодная матрица 51 размещена в кожухе 53.

На фигуре 6 видно, что плотность энергии для круговой диаграммы 71 направленности уменьшается, по мере того как пучок света становится шире для охвата асимметричных объектов (72 - крыша, 73 - дом). Полная энергия делится на площадь увеличенного круга 70. Как можно видеть, много энергии, проходящей выше и ниже объекта, тратится впустую.

На фигуре 7 видно, что при использовании эллиптической или асимметричной диаграммы 81 направленности энергия практически не тратится впустую, как это происходит в случае круговой диаграммы 80, поскольку пучок света оптимальным образом подсвечивает широкие объекты, такие как, например, крыша 82 и дом 83. Таким образом, обеспечивается очень эффективное использование имеющегося света, в результате чего увеличивается максимально достижимая дальность получения изображений или уменьшается число прожекторов, которое необходимо для определенного применения, или уменьшается размер требуемого прожектора, и снижается электрическая мощность, необходимая для определенного применения.

На фигуре 8 иллюстрируется использование материала выше средней линии 91 прожектора, который отличается от материала ниже этой линии, для получения асимметричной диаграммы 93 направленности в вертикальном направлении. Может быть обеспечено более эффективное использование света, в результате чего повышается дальность действия прожектора. У обычного прожектора диаграмма направленности больше похожа на кривую 92 с гораздо большей протяженностью по вертикальной оси 90.

На фигуре 9А распределение света, излучаемого прожектором, представляет собой колоколообразную кривую. По вертикальной оси откладывается величина количества света, а по горизонтальной оси - угол расхождения по горизонтали пучка света, излучаемого прожектором. Полная ширина на уровне половины максимального значения функции (FWHM) находится между -67,5° и +67,5°, то есть имеется значительное расхождение пучка по горизонтали, равное 130°, причем вершина кривой соответствует 0°, то есть центру поля освещения.

На фигуре 9В распределение света, излучаемого прожектором, представляет собой колоколообразную кривую. По вертикальной оси откладывается величина количества света, а по горизонтальной оси - угол расхождения вертикали пучка света, излучаемого прожектором. Полная ширина на уровне половины максимального значения функции (FWHM) находится между -6° и +6°, то есть расхождение по вертикали света, излучаемого прожектором, очень мало.

На фигуре 10А схематически показана подсветка номерного знака 62 объекта и отражателей 64 и 66 с использованием пучка 60 света, излучаемого известными инфракрасными прожекторами. Получаемые изображения размыты из-за недостаточного уровня освещенности. Эта проблема возникает в связи с тем, что в известных прожекторах много света тратится впустую на освещение окружающего фона.

На фигуре 10В схематически показана подсветка двух полос автомагистрали, разделенных пунктирной линией 68, более широким пучком 61 прожектора системы наблюдения с использованием дифракционного микрорельефа. На левой полосе четко просматриваются номерной знак 63 и отражатели 65 и 67, подсвеченные эллиптическим пучком 61 света, излучаемого прожектором, в котором используется светоизлучающая система и материал с дифракционным микрорельефом. Благодаря повышенной эффективности подсветки в этом случае также подсвечивается и номерной знак 69 объекта на правой полосе, несмотря на то, что общая площадь и общая мощность излучения на фигуре 10В сравнимы с вариантом фигуры 10А. Материал с дифракционным микрорельефом формируется и устроен таким образом, чтобы он формировал эллиптическое распределение Гаусса преломленного света с главной осью, лежащей в горизонтальной плоскости, причем угловое расхождение света светодиодной матрицы в горизонтальной плоскости увеличивается больше чем в два раза, а угловое расхождение в вертикальной плоскости практически не изменяется материалом с дифракционным микрорельефом. При использовании системы видеонаблюдения для чтения номерных знаков материал с однонаправленным дифракционным микрорельефом обеспечивает перекрытие подсветкой несколько полос автомагистрали с таким же или менее мощным источником света, как и в прожекторах существующих систем видеонаблюдения, в результате чего более эффективно используется освещение контролируемой зоны.

На фигуре 11А схематически показан прожектор 201, в котором используется светоизлучающая система и материал с дифракционным микрорельефом и который обеспечивает подсветку контролируемой зоны 211, охватывающей четырехполосную автомагистраль 213. Изображение автомагистрали получают с помощью широкоугольной камеры 202 видеонаблюдения, передающей полученное изображение 215 в широкоэкранный монитор 203. Стрелки 200, отходящие от прожектора, показывают лучи выходящего света. Стрелки 199, направленные в камеру, показывают лучи света, поступающего из подсвеченной контролируемой зоны 211.

На фигуре 11В схематически показан прожектор 204, в котором используется светоизлучающая система и материал с дифракционным микрорельефом и который обеспечивает подсветку контролируемой зоны 212, представляющей собой четырехполосную автомагистраль 214. Изображение автомагистрали формируется совместно четырьмя скомплексированными специализированными камерами 205, 206, 207, 208. Камеры 205 и 206 совместно принимают свет, показанный направленными вниз стрелками 210, который поступает от двух левых полос автомагистрали. Одна из камер может быть оптимизирована для работы днем, а другая - для работы в ночных условиях. В альтернативном варианте одна из камер может быть оптимизирована для получения изображений номерных знаков, а другая - для получения изображений водителя или пассажиров. Камеры 207 и 208 обеспечивают получение изображений двух правых полос подсвеченной автомагистрали 214. Они могут быть оптимизированы для работы в разных условиях, аналогично камерам 205 и 206. Подсветка под широким углом многополосной магистрали, обеспечиваемая системой видеонаблюдения, может быть импульсной для синхронизации с входным сигналом, содержащим информацию о номерных знаках или пассажирах автомобилей, широкоугольной видеокамеры высокого разрешения. Затем выходные сигналы камеры системы видеонаблюдения могут обрабатываться с помощью программ распознавания алфавитно-цифровой информации для получения в цифровой форме номеров автомобилей, проходящих по автомагистрали. Изображение широкой многополосной автомагистрали 216 показано отображенным соответствующим образом на широкоэкранном мониторе 217.

Светодиодная матрица со стандартным углом расхождения пучка подсвечивающего излучения, равным 120°, может использоваться в сочетании со сферическими линзами с углом 6° для суживания пучков света, которые затем преломляются в одной плоскости на дифракционном микрорельефе. На фигуре 12А приведен вид сверху матрицы 311 излучающих светодиодов, содержащей практически точечные источники света, например источники 312 и 313, лучи 317 света которых проходят через сферические линзы 321 и 322, в результате угол расхождения пучков света уменьшается (лучи 323 и 324). Затем лучи света проходят через материал 315 с однонаправленным дифракционным микрорельефом, в результате чего они расходятся по горизонтали в точке 318, так что выходящие световые лучи 315 и 316 будут выходить из прожектора под большими углами. На фигуре 12В приведен схематический вид сбоку светоизлучающей системы 331, причем точечный источник 312 света показан вверху, а показанные точечные источники 332, 333 расположены ниже плоскости фигуры 12А и потому на ней не видны. Световые лучи 325, излучаемые матрицей 331, проходят через сферические линзы 326, в результате чего пучки света становятся уже (лучи 327 и 328). Затем световые лучи проходит через материал 334 с дифракционным микрорельефом, причем благодаря характеристике однонаправленности материала свет проходит через него без существенного расхождения лучей по вертикали в точке 338. Выходящие световые лучи 335 и 336 почти не меняют своего направления (лучи 327 и 328) при прохождении через материал с дифракционным микрорельефом.

Изобретение может быть осуществлено и в других конкретных формах, с дополнительными (необязательными) элементами и вспомогательными устройствами, не меняющими его сущности или существенных признаков. Поэтому рассмотренный выше вариант осуществления изобретения должен рассматриваться во всех отношениях как иллюстрация, ни в коей мере не ограничивающая объема изобретения, определяемого прилагаемой формулой, и, таким образом, все изменения, которые могут быть в рамках эквивалентов пунктов формулы, охватываются этой формулой.

Реферат

Изобретение относится к области средств освещения в инфракрасном диапазоне для обеспечения видеонаблюдения. Система наблюдения включает прожектором, в котором перед светоизлучающей системой установлен материал с однонаправленным дифракционным микрорельефом, обеспечивающим расхождение светового пучка в горизонтальной плоскости, которое больше чем в два раза превышает расхождение пучка света источника внутри светоизлучающей системы. При этом материал практически не изменяет расхождение светового пучка в вертикальной плоскости. Технический результат - повышение дальности действия прожектора, повышение эффективности подсветки. 32 з.п. ф-лы, 18 ил.

Формула