CN103700678B - 一种液晶基电调空间分辨率全色成像探测芯片 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种液晶基电调空间分辨率全色成像探测芯片，包括陶瓷外壳、金属支撑和散热板、驱控和图像预处理模块、面阵全色成像探测器、以及面阵电控液晶微透镜，驱控和图像预处理模块、面阵全色成像探测器、以及面阵电控液晶微透镜设置于陶瓷外壳内，陶瓷外壳后部固定设置于金属支撑和散热板顶部，驱控和图像预处理模块固定设置于陶瓷外壳后部与金属支撑和散热板连接处，面阵全色成像探测器平行设置于驱控和图像预处理模块顶部，面阵电控液晶微透镜平行设置于面阵全色成像探测器顶部。本发明结构紧凑，使用方便，覆盖可见光谱段，并具有电调面阵全色成像探测器的空间分辨率、测量精度高、目标与环境适应性好的特点。

Description

一种液晶基电调空间分辨率全色成像探测芯片

技术领域

本发明属于成像探测技术领域，更具体地，涉及一种液晶基电调空间分辨率全色成像探测芯片。

背景技术

近些年来，大面阵全色成像探测技术，在军事和民用领域获得了广泛应用，其巨大的市场容量和广阔的商业前景，推动着该技术的持续进步和发展。目前，随着光学成像观察、遥感、监视、导航、制导和图像信息技术的迅速发展，在复杂背景环境下，高效探测、获取、识别及处理图像目标技术，受到了广泛关注和重视。在不断发展的新概念、新理论和新方法支撑下，全色成像探测装置的光敏阵列规模在持续扩大，光敏材料的光电灵敏度在进一步提升，结构尺寸和质量也在迅速减小，正向着具有多空间分辨率并行或时序调变，局域高空间分辨率凝固与周边空间分辨率捷变相兼容或快速切换，对虚假、伪装、隐藏、隐身、欺骗、对抗性或复杂背景环境中的目标，具有强发现和辨识能力的方向发展。

迄今为止，在多空间分辨率一体化成像探测方面，以美国为典型代表的主流装置或设备，主要采用具有不同分辨率的成像装置并行工作，共孔径分光式的多分辨率光敏芯片协同，置于同一光学架构下由不同阵列规模光敏芯片拼接成的混合芯片并行提取图像信息，通过复杂光学系统实现时序或空变空间分辨率的成像探测，采用大动态范围的变焦光学系统等方式工作。另外，基于集成微纳光学的多空间分辨率一体化措施，诸如给光敏器件匹配二元衍射结构，微棱镜和光楔，傅立叶变换组件，全息、衍射或干涉分光结构等方法，也在快速发展。

如上所述的多空间分辨率一体化成像探测架构，均需要配置复杂精密的饲服、驱动或扫描机构。设备的体积和质量相对较大，响应速度低，不同分辨率模态间的转换时间长，可靠性难以大幅提升。对运输、升空、高速运动或恶劣环境中的破坏性因素敏感，有些还存在必不可少的机械移动环节，不适用于快速或迅变的动态目标或场景，成像性能相对有限，并且这种状况在短期内难以有质的突破。换言之，其缺陷或不足主要反映在光电成像装置的体积、质量、功耗、并行性、切换速度、辅助系统的复杂性和可靠性，以及目标高速运动或环境适应性等方面。如何实现小型化甚至灵巧的多空间分辨率一体化成像探测，将现代微纳光学、光电和芯片电子学等理念，融入一体化的全色成像架构中，实现多分辨率成像模式相互兼容、并行式或可切换的灵巧探测，在现代高效能光学成像领域具有广泛和迫切的需求。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种液晶基电调空间分辨率全色成像探测芯片，其目的在于实现电控调变目标图像的空间分辨率，并具备覆盖可见光谱段、动态测量范围大、测量精度高、目标和环境适应性好、体积和质量小、易与其它光学/光电/机械结构匹配耦合的特点。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种液晶基电调空间分辨率全色成像探测芯片，包括陶瓷外壳、金属支撑和散热板、驱控和图像预处理模块、面阵全色成像探测器、以及面阵电控液晶微透镜，驱控和图像预处理模块、面阵全色成像探测器、以及面阵电控液晶微透镜设置于陶瓷外壳内，陶瓷外壳后部固定设置于金属支撑和散热板顶部，驱控和图像预处理模块固定设置于陶瓷外壳后部与金属支撑和散热板连接处，面阵全色成像探测器平行设置于驱控和图像预处理模块顶部，面阵电控液晶微透镜平行设置于面阵全色成像探测器顶部，并通过陶瓷外壳面部开孔将其光入射面裸露出来，驱控和图像预处理模块、面阵全色成像探测器、以及面阵电控液晶微透镜同轴顺序设置，面阵电控液晶微透镜包括M×N个单元微透镜，其中M和N均为正整数，面阵全色成像探测器被划分为M×N个子面阵全色成像探测器，该子面阵红外探测器的数量与面阵电控液晶微透镜中微透镜的数量相同，每个子面阵全色成像探测器包括P×Q个光敏元，其中P和Q均为正整数，面阵电控液晶微透镜用于接收来自目标出射的红外光，并将该红外光汇聚到面阵全色成像探测器中不同子面阵全色成像探测器的对应光敏元上，驱控和图像预处理模块用于为面阵全色成像探测器提供驱动和调控信号，光敏元用于在驱动和调控信号的作用下对红外光执行光电转换为电信号，并将该电信号传送到驱控和图像预处理模块，驱控和图像预处理模块还用于对电信号进行预处理，以生成图像数据，并将该图像数据输出。

优选地，来自不同位置的红外光被单元微透镜汇聚到不同的子面阵全色成像探测器上，来自不同位置、但处于相同方向的红外光被单元微透镜汇聚到不同子面阵全色成像探测器中相同位置处的光敏元上。

优选地，驱控和图像预处理模块对电信号进行预处理采用的是非均匀性校正方法。

优选地，陶瓷外壳的侧面设置有驱控信号输出端口，用于输出驱控和图像预处理模块提供给面阵全色成像探测器的驱动和调控信号，陶瓷外壳的侧面设置有第一指示灯，该灯接通用于显示驱控和图像预处理模块处在正常工作状态，陶瓷外壳的侧面设置有探测器驱控信号输入端口，用于输入面阵全色成像探测器的驱动和调控信号，陶瓷外壳的侧面设置有第二指示灯，该灯接通用于显示面阵全色成像探测器处在正常工作状态。

陶瓷外壳的侧面设置有微透镜驱控信号输入端口，用于输入面阵电控液晶微透镜的驱动和调控信号；

陶瓷外壳的侧面设置有第三指示灯，该灯接通用于显示面阵电控液晶微透镜处在正常工作状态。

优选地，陶瓷外壳的底面设置有光电测量信号输出端口，用于输出面阵全色成像探测器的光电响应信号，陶瓷外壳的底面设置有第四指示灯，该灯接通用于显示面阵全色成像探测器处在正常的信号输出状态，陶瓷外壳的底面设置有光电响应信号输入和全色图像数据输出端口，用于将全色成像探测器的光电响应信号输入驱控和图像预处理模块，以及将全色图像数据从驱控和图像预处理模块输出，陶瓷外壳的底面设置有第五指示灯，该灯接通用于显示驱控和图像预处理模块处在正常的数据输出状态。

优选地，陶瓷外壳的侧面设置有电源端口，用于接入电源线以与外部电源连接，陶瓷外壳的侧面设置有第六指示灯，该灯接通用于显示电源已接通。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1、可电调空间分辨率，由于通过耦合面阵电控液晶微透镜与面阵全色成像探测器，实现成像探测器阵列规模以及相应的空间分辨率的电控调变，所以本发明具有电调单芯片空间分辨率的优点；

2、测量精度高，由于本发明采用面阵电控液晶微透镜和面阵全色成像探测器，它们均具有极高的阵列规模并被混合集成而具有极高的结构稳定性，所以本发明具有测量精度高的优点；

3、动态测量范围大，由于本发明采用了焦长和通光孔径电调变的面阵电控液晶微透镜，其具有动态变焦和电调空间分辨率的特点，所以本发明具有动态测量范围大的优点。

4、目标和环境适应性好，由于本发明采用了光学性能可电调变的面阵电控液晶微透镜，可根据环境和目标情况对入射光波进行快速变换，所以本发明具有目标和环境适应性好的优点。

5、使用方便，由于本发明采用了集成面阵电控液晶微透镜、面阵全色成像探测器、以及驱控与预处理模块这样的体系架构，所以本发明具有接插方便，易与光学系统、其它电子学和机械装置耦合的优点。

附图说明

图1是本发明液晶基电调空间分辨率全色成像探测芯片的结构示意图。

图2是本发明液晶基电调空间分辨率全色成像探测芯片的原理示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-驱控信号输出端口，2-第一指示灯，3-驱控和图像预处理模块，4-探测器驱控信号输入端口，5-第二指示灯，6-面阵全色成像探测器，7-微透镜驱控信号输入端口，8-第三指示灯，9-面阵电控液晶微透镜，10-第四指示灯，11-光电测量信号输出端口，12-第五指示灯，13-光电响应信号输入和全色图像数据输出端口，14-电源端口，15-陶瓷外壳，16-金属支撑和散热板，17-第六指示灯。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，本发明液晶基电调空间分辨率全色成像探测芯片包括陶瓷外壳15、金属支撑和散热板16、驱控和图像预处理模块3、面阵全色成像探测器6、以及面阵电控液晶微透镜9。

驱控和图像预处理模块3、面阵全色成像探测器6、以及面阵电控液晶微透镜9设置于陶瓷外壳15内。

陶瓷外壳15后部固定设置于金属支撑和散热板16顶部，驱控和图像预处理模块3固定设置于陶瓷外壳15后部与金属支撑和散热板16连接处，面阵全色成像探测器6平行设置于驱控和图像预处理模块3顶部，面阵电控液晶微透镜9平行设置于面阵全色成像探测器6顶部，并通过陶瓷外壳15面部开孔将其光入射面裸露出来，驱控和图像预处理模块3、面阵全色成像探测器6、以及面阵电控液晶微透镜9同轴顺序设置。

面阵电控液晶微透镜9包括M×N个单元微透镜，其中M和N均为正整数。

面阵全色成像探测器6被划分为M×N个子面阵全色成像探测器，该子面阵红外探测器的数量与面阵电控液晶微透镜9中微透镜的数量相同，每个子面阵全色成像探测器包括P×Q个光敏元，其中P和Q均为正整数。来自不同位置的红外光被单元微透镜汇聚到不同的子面阵全色成像探测器上，来自不同位置、但处于相同方向的红外光被单元微透镜汇聚到不同子面阵全色成像探测器中相同位置处的光敏元上。

面阵电控液晶微透镜9用于接收来自目标出射的红外光，并将该红外光汇聚到面阵全色成像探测器6中不同子面阵全色成像探测器的对应光敏元上。

驱控和图像预处理模块3用于为面阵全色成像探测器6提供驱动和调控信号。

光敏元用于在驱动和调控信号的作用下对红外光执行光电转换为电信号，并将该电信号传送到驱控和图像预处理模块3。

驱控和图像预处理模块3还用于对电信号进行预处理，以生成图像数据，并将该图像数据输出。具体而言，对电信号进行预处理采用的是非均匀性校正方法。

陶瓷外壳15的侧面设置有驱控信号输出端口1，用于输出驱控和图像预处理模块3提供给面阵全色成像探测器6的驱动和调控信号。

陶瓷外壳15的侧面设置有第一指示灯2，该灯接通用于显示驱控和图像预处理模块3处在正常工作状态。

陶瓷外壳15的侧面设置有探测器驱控信号输入端口4，用于输入面阵全色成像探测器6的驱动和调控信号。

陶瓷外壳15的侧面设置有第二指示灯5，该灯接通用于显示面阵全色成像探测器6处在正常工作状态。

陶瓷外壳15的侧面设置有微透镜驱控信号输入端口7，用于输入面阵电控液晶微透镜9的驱动和调控信号。

陶瓷外壳15的侧面设置有第三指示灯8，该灯接通用于显示面阵电控液晶微透镜9处在正常工作状态。

陶瓷外壳15的底面设置有光电测量信号输出端口11，用于输出面阵全色成像探测器6的光电响应信号。

陶瓷外壳15的底面设置有第四指示灯10，该灯接通用于显示面阵全色成像探测器6处在正常的信号输出状态。

陶瓷外壳15的底面设置有光电响应信号输入和全色图像数据输出端口13，用于将全色成像探测器的光电响应信号输入驱控和图像预处理模块3，以及将全色图像数据从驱控和图像预处理模块3输出。

陶瓷外壳15的底面设置有第五指示灯12，该灯接通用于显示驱控和图像预处理模块3处在正常的数据输出状态。

陶瓷外壳15的侧面设置有电源端口14，用于接入电源线以与外部电源连接。

陶瓷外壳15的侧面设置有第六指示灯17，该灯接通用于显示电源已接通。

以下参考图2描述本发明的工作原理：

面阵全色成像探测器与阵列规模较全色探测器已降低的电控液晶微透镜阵列混合集成，构成芯片中的电调空间分辨率全色成像探测架构。液晶器件与全色探测器的组合方式为：在所划分的大、中、小空间分辨率模式下，每单元液晶微透镜分别与2×2元探测器、4×4元探测器或8×8元探测器等对应。对单元液晶微透镜而言，入射光波被离散形成的以倾角Φ表征的子平面波前，被液晶微透镜定向汇聚在其焦面上，聚焦光斑由置于该处的全色探测器转换成光电响应信号。

由幅度不同的电压信号驱控的液晶微透镜，其光学汇聚能力不同。这种情形可用常规的表面曲率不同的曲面轮廓折射微透镜，具有不同的通光孔径和光学汇聚能力来等效，如图示的液晶微透镜阵列其等效电控状态-A、-B、-C等。所形成的具有不同结构尺寸的液晶微透镜，将具有不同大小的光作用区域并形成具有不同结构尺寸的汇聚光斑，如图示的典型的大（-A）、中（-B）、小（-C）尺寸单元微透镜光作用区，以及入射光波汇聚形成的典型焦斑-A、-B、-C等。

通过对层叠排布并具有大、中、小阵列规模的的液晶微透镜的电极结构顺序加电，可使单片全色成像探测器呈现不同的阵列规模，也就是呈现不同的空间分辨率，实现基于电控液晶的电调空间分辨率全色成像探测。在液晶微透镜不加电状态，全色成像探测器将呈现其本征的阵列规模或空间分辨率形态。

利用液晶微透镜的电控变焦特性，一方面可以根据目标及背景情况，增大或减小子平面波前的倾角测量范围，从而增大或减小光波前的测量范围，降低液晶微透镜间的光串扰噪声。另一方面，通过调整特定光波被液晶微透镜所汇聚的程度，可使因突发的环境或对抗性因素诱发的光波变动，得到一定程度的调整和较正，从而提高测量光波的准确性和环境适应能力，因而具备一定的纠错能力。

以下简要介绍本发明的操作过程：

操作时，首先用并行信号线连接驱控信号输出端口1、探测器驱控信号输入端口4、以及液晶微透镜驱控信号输入端口7；用并行数据线连接光电响应信号输出端口11、以及光电响应信号输入和全色图像数据输出端口13；电源线连接到电源端口14上。然后通过并行通讯线（同时接入驱控信号输出端口1）送入电源开启指令，芯片开始自检，此时第一指示灯2、第二指示灯5、第三指示灯8、第四指示灯10、第五指示灯12、第六指示灯17接通闪烁。自检通过后第五指示灯12、以及第六指示灯17熄灭，芯片进入工作状态。通过并行通讯线送入工作指令后，芯片开始进行光电响应信号测量。光电响应信号由光电测量信号输出端口11、以及光电响应信号输入和全色图像数据输出端口13送入驱控和图像预处理模块3，此时第四指示灯10、以及第五指示灯12再次接通闪烁。经驱控和图像预处理模块3处理后的全色图像数据最后通过光电响应信号输入和全色图像数据输出端口13输出。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种液晶基电调空间分辨率全色成像探测芯片，包括陶瓷外壳、金属支撑和散热板、驱控和图像预处理模块、面阵全色成像探测器、以及面阵电控液晶微透镜，其特征在于，

驱控和图像预处理模块、面阵全色成像探测器、以及面阵电控液晶微透镜设置于陶瓷外壳内；

陶瓷外壳后部固定设置于金属支撑和散热板顶部；

驱控和图像预处理模块固定设置于陶瓷外壳后部与金属支撑和散热板连接处；

面阵全色成像探测器平行设置于驱控和图像预处理模块顶部；

面阵电控液晶微透镜平行设置于面阵全色成像探测器顶部，并通过陶瓷外壳面部开孔将其光入射面裸露出来；

驱控和图像预处理模块、面阵全色成像探测器、以及面阵电控液晶微透镜同轴顺序设置；

面阵电控液晶微透镜包括M×N个单元微透镜，其中M和N均为正整数；

面阵全色成像探测器被划分为M×N个子面阵全色成像探测器，该子面阵全色成像探测器的数量与面阵电控液晶微透镜中微透镜的数量相同，每个子面阵全色成像探测器包括P×Q个光敏元，其中P和Q均为正整数；

面阵电控液晶微透镜用于接收来自目标出射的红外光，并将该红外光汇聚到面阵全色成像探测器中不同子面阵全色成像探测器的对应光敏元上；

驱控和图像预处理模块用于为面阵全色成像探测器提供驱动和调控信号；

光敏元用于在驱动和调控信号的作用下对红外光执行光电转换为电信号，并将该电信号传送到驱控和图像预处理模块；

驱控和图像预处理模块还用于对电信号进行预处理，以生成图像数据，并将该图像数据输出；

陶瓷外壳的侧面设置有第一指示灯，该灯接通用于显示驱控和图像预处理模块处在正常工作状态；

陶瓷外壳的侧面设置有第二指示灯，该灯接通用于显示面阵全色成像探测器处在正常工作状态；

陶瓷外壳的侧面设置有第三指示灯，该灯接通用于显示面阵电控液晶微透镜处在正常工作状态；

陶瓷外壳的底面设置有第四指示灯，该灯接通用于显示面阵全色成像探测器处在正常的信号输出状态；

陶瓷外壳的底面设置有第五指示灯，该灯接通用于显示驱控和图像预处理模块处在正常的数据输出状态；

陶瓷外壳的侧面设置有第六指示灯，该灯接通用于显示电源已接通；

操作时，首先用并行信号线连接驱控信号输出端口、探测器驱控信号输入端口、以及液晶微透镜驱控信号输入端口；用并行数据线连接光电响应信号输出端口、以及光电响应信号输入和全色图像数据输出端口；电源线连接到电源端口上,然后通过并行通讯线送入电源开启指令，芯片开始自检，此时第一指示灯、第二指示灯、第三指示灯、第四指示灯、第五指示灯、第六指示灯接通闪烁，自检通过后第五指示灯、以及第六指示灯熄灭，芯片进入工作状态，通过并行通讯线送入工作指令后，芯片开始进行光电响应信号测量，光电响应信号由光电测量信号输出端口、以及光电响应信号输入和全色图像数据输出端口送入驱控和图像预处理模块，此时第四指示灯、以及第五指示灯再次接通闪烁，经驱控和图像预处理模块处理后的全色图像数据最后通过光电响应信号输入和全色图像数据输出端口输出。

2.根据权利要求1所述的液晶基电调空间分辨率全色成像探测芯片，其特征在于，来自不同位置的红外光被单元微透镜汇聚到不同的子面阵全色成像探测器上，来自不同位置、但处于相同方向的红外光被单元微透镜汇聚到不同子面阵全色成像探测器中相同位置处的光敏元上。

3.根据权利要求1所述的液晶基电调空间分辨率全色成像探测芯片，其特征在于，驱控和图像预处理模块对电信号进行预处理采用的是非均匀性校正方法。

4.根据权利要求1所述的液晶基电调空间分辨率全色成像探测芯片，其特征在于，

陶瓷外壳的侧面设置有驱控信号输出端口，用于输出驱控和图像预处理模块提供给面阵全色成像探测器的驱动和调控信号；

陶瓷外壳的侧面设置有探测器驱控信号输入端口，用于输入面阵全色成像探测器的驱动和调控信号；

陶瓷外壳的侧面设置有微透镜驱控信号输入端口，用于输入面阵电控液晶微透镜的驱动和调控信号。

5.根据权利要求1所述的液晶基电调空间分辨率全色成像探测芯片，其特征在于，

陶瓷外壳的底面设置有光电测量信号输出端口，用于输出面阵全色成像探测器的光电响应信号；

陶瓷外壳的底面设置有光电响应信号输入和全色图像数据输出端口，用于将全色成像探测器的光电响应信号输入驱控和图像预处理模块，以及将全色图像数据从驱控和图像预处理模块输出。

6.根据权利要求1所述的液晶基电调空间分辨率全色成像探测芯片，其特征在于，陶瓷外壳的侧面设置有电源端口，用于接入电源线以与外部电源连接。