CN101368846A - 一种基于液晶板自动控制光强实现局部选通的探测器 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种基于液晶板自动控制光强实现局部选通的探测器，包括探测器壳体，该探测器壳体内，分成上下两部分，上部分依次包括测光CCD系统、视频采集模块、现场可编程门阵列、液晶驱动模块、电源和显示屏，下部分依次包括液晶板、像增强器、光纤光锥和CCD，与测光CCD系统相接的一端在探测器壳体的外部设置有镜头，与液晶板相接的一端在探测器壳体外部设置有镜头B，镜头A和镜头B并排设置。本发明探测器根据获取的图像信息转换的电压信号，对液晶板的各个像素点的光强透过率进行控制，实现光强自动控制局部选通，使得成像系统在10⁵lx高光强照度下，能正常工作和清晰成像，扩大探测器的动态范围，适应全天候工作的要求。

Description

一种基于液晶板自动控制光强实现局部选通的探测器

技术领域

本发明属于微光成像探测技术领域，涉及一种基于液晶板自动控制光强实现局部选通的探测器。

背景技术

目前，许多探测器要求具有较大的视场适应和探测能力。例如，装载于飞行器的探测器，工作过程中会遇到各种光照条件，进入CCD(charge coupledevice)的背景照度不断变化，目标照度随之而变，导致监视屏幕产生背景明暗不均、像质差、对比度低的模糊图像，严重影响使用者的视觉效果。随着科技的发展，要求探测器在复杂多变的环境条件下，具有较宽的环境照度和大范围动态探测的能力。对探测器的性能要求取决于进入CCD的光通量，因此，探测器光通量的控制显得非常重要。

微光探测领域中，国外现有的第四代像增强器，在光电阴极上施加脉冲式自动通断电压，即电源感知进入像管的光量，自动高速接通和切断电源，光照强时通断的频率低、脉宽窄，光照弱时正好相反，使得光照极强时减少进入微通道板的电子流，避免其饱和，产生的图像始终均匀一致；另外，自动门控作为另一种实现选通的方法，允许像管在照明区域和白天仍产生对比度良好的高分辨率影像，而不产生模糊的影像，扩大了微光像增强器的动态使用范围，但是该技术的细节外国对我国实行封锁。我国的像增强器经历了一代、二代的发展，目前三代管也在研制中，中国科学院西安光机所的黄林涛等人针对二代像增强器的缺点，设计了自动门控电源取代直流高压电源为第二代像增强器供电的方案，一定程度上提高了二代像增强器的动态使用范围。上述探测器都是通过电学进行光强选通。

为实现强光探测，也有在光学系统中加入电子快门的探测器，传统的选通还有自动光圈、滤频片或变密度板等方式，如西安北方光电公司的孙亚芬等人利用光学系统进行自动光强控制来保护强光条件下工作的像增强器，但这些探测器为整体选通，对某个区域过强的光无法进行局部控制，动态使用范围较小，不能在强光下工作。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于液晶板自动控制光强实现局部选通的探测器，实现对光强的自动控制局部选通，具有较大的动态使用范围，可在强光下工作。

本发明所采用的技术方案是，一种基于液晶板自动控制光强实现局部选通的探测器，包括探测器壳体，该探测器壳体内，分成上下两部分，上部分依次包括测光CCD系统、视频采集模块、现场可编程门阵列、液晶驱动模块、电源和显示屏，下部分依次包括液晶板、像增强器、光纤光锥和CCD，与测光CCD系统相接的一端在探测器壳体的外部设置有镜头，与液晶板相接的一端在探测器壳体外部设置有镜头B，镜头A和镜头B并排设置。

本发明的特征还在于，

液晶板安装于像增强器前的光学系统中，耦合于测光CCD系统的光阴极前，并位于光学系统的焦平面。

液晶板选用高温多晶硅薄膜晶体管液晶显示板。

本发明探测器的有益效果是，

1.采用液晶板对目标景物的光强进行局部透光控制，在强光条件下保护光阴极及微通道板，同时，保证器件正常工作，构成一种更有实用价值的微光成像探测器。

2.可根据要求适当调节液晶板的电压与透过率的关系，实现微光探测器能在10⁵lx照度环境下正常工作。

3.单个像素点可以独立控制，实现局部光强选通。

附图说明

图1是本发明探测器的结构示意图；

图2是本发明探测器中液晶板的结构示意图，其中，a是未加电压的液晶状态，b是施加电压后的状态，

图3是本发明探测器中液晶板单像素的结构示意图；

图4是本发明探测器中液晶板的透过率与输入信号电压的关系曲线图；

图5是本发明探测器中液晶板的工作原理图。

图中，1.镜头A，2.测光CCD系统，3.视频采集模块，4.现场可编程门阵列，5.液晶驱动模块，6.电源，7.显示屏，8.功能按钮，9.CCD，10.光纤光锥，11.像增强器，12.液晶板，13.镜头B，14.透明电极，15.控制线，16.薄膜式电晶体，17.信号线，18.检偏器，19.玻璃基板，20.透明电极，21.取向膜，22.液晶，23.起偏器，24.探测器壳体，25.隔板，26.空腔A，27.空腔B。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明探测器的结构，如图1所示。包括中空的探测器壳体24，探测器壳体24内部通过隔板25分为空腔A26和空腔B27，探测器壳体24的一端并排设置有分别与空腔A26和空腔B27相对应的镜头A1和镜头B2，探测器壳体的另一端与镜头A1和镜头B2对应分别设置有显示屏7和CCD9。空腔A26内、镜头A1到显示屏7之间依次设置有测光CCD系统2、视频采集模块3、现场可编程门阵列4、液晶驱动模块5和电源6。空腔B27内、由镜头B13到CCD9之间依次设置有液晶板12、像增强器11和光纤光锥10。

本发明探测器中液晶板的结构，如图2a、2b所示。包括自上而下依次设置的检偏器18、玻璃基板19、透明电极20、取向膜21和液晶22，液晶22的下面、由上而下还依次设置有取向膜21、透明电极20、玻璃基板19和起偏器23。

本发明探测器中液晶板单像素的结构，如图3所示。在玻璃基板19的表面设置有方形的透明电极14，透明电极14的表面设置有一方形薄膜式电晶体16，薄膜式电晶体16的一边与透明电极14的一边对齐，透明电极14与薄膜式电晶体16对齐的一边外侧设置有与该边平行的信号线17，透明电极14的外侧还设置有控制线15，控制线15与信号线17垂直相交。

本发明探测器中的液晶板12选用高温多晶硅薄膜晶体管液晶显示板HTPS TFT-LCD。该液晶显示板为有源矩阵驱动方式的透过型LCD，具有小型、高精细、高对比度、驱动器可内置等特点。外形尺寸3.3cm(对角线)，内置源矩阵驱动电路，逐点寻址，点阵数1024(H)×768(V)＝786，432；其内部的液晶22采用扭曲向列型液晶材料制作，内置无串扰电路和无鬼线电路，提高显示质量，在光波长630nm时，透过率为30％。高温多晶硅薄膜晶体管液晶显示板具有快速响应的特性，适合光学信息处理，其透过率与输入信号电压的关系曲线，如图4所示，输入信号电压为1024×768的8位位图，即灰度为2⁸＝256阶的灰度图，不加电压时，显示图像为255灰度，施加到单像素的电压与输入图像的灰度值成非线性关系。

高温多晶硅薄膜晶体管液晶显示板由多个像素组成，每个像素都包含信号线17、控制线15、薄膜式电晶体16和透明电极14，透明电极14包含有以特定方式排列的液晶分子，液晶分子在不同电压下的排列方式发生变化，据此，可以改变透过液晶板像素的光线的振动方向，结合偏振板实现图像从全黑到全白状态下不同灰阶的过渡，实现探测器的自动光强控制，使得CCD9上的图像处理系统能控制液晶的透过率，并不影响微光像增强器的成像质量，同时不损害增强器。

在现有像增强器前的光学系统中应用液晶板12，将其耦合于测光CCD系统2的光阴极前，并位于光学系统的焦平面；液晶板12的像素点与测光CCD系统2的像素点一一对应。液晶板12的工作原理，如图5所示。利用液晶板12的图像灰度控制原理，将测光CCD系统2获取的图像信息，经过视频采集模块3进行滤频和采集，转变为数字信号，该数字信号经现场可编程门阵列4处理得到的视频信号和经液晶驱动模块5发出的脉冲控制信号同时输入液晶板12，控制液晶板12上相应像素的光强透过率，在像增强器11形成清晰的图像。

本发明探测器中主要部件的工作原理

1.TFT-LCD液晶板

液晶板12对光强的控制，是利用液晶22的扭曲向列效应和场致指向矢重新排列效应。将液晶22置于两块玻璃基板19之间，两块玻璃基板19之间没有施加电压时，液晶分子指向矢由下而上均匀扭转90°，如图2a所示，入射自然光经过起偏器23后，形成振动面与入射面液晶指向矢方向平行的线偏振光。由于液晶分子的双折射效应，入射线偏振光透过扭曲液晶层时，偏振态发生变化。选择合适的液晶层厚度可使出射光保持为线偏振光，但振动面随液晶分子的扭曲也偏转90°，与出射偏振器的通光方向一致，此时透射光强最大。液晶分子受电场力作用时，其空间排列状态发生改变，沿z轴方向电场的作用下，液晶分子的长轴方向产生感应偶极矩，使分子排列开始沿z轴方向转动，扭曲螺旋结构开始破坏。

液晶的双折射规律，可用下式表示：

$\frac{1}{n_e^2\left(\mathrm{\θ}\right)}=\frac{{\cos }^2\mathrm{\θ}}{n_o^2}+\frac{{\sin }^2\mathrm{\θ}}{n_e^2}---\left(1\right)$

式中，折射率n_e(θ)是指向矢倾斜角θ的函数，n_o是寻常光(o光)的折射率，n_e是非常光(e光)的折射率。

由(1)式可知，折射率差Δn＝n_o-n_e(θ)也是倾斜角θ的函数。施加于液晶板12像素的电压发生变化，就会改变向矢倾斜角θ的值，Δn随之而变，导致出射光的偏振态发生变化，使透过出射偏振器的光变弱。当电压增强，致使液晶指向矢完全偏转，与电场方向一致时，如图2b所示，入射光的偏振态不受液晶层的影响，出射光完全被输出偏振器截止，透射光强最小。因此，通过控制施加于液晶板12每个像素的电压，可改变液晶板12的透过率，实现对光强的控制。

2.光强控制

现场可编程门阵列4按要求对亮度信号进行处理，并对液晶板12进行控制，主要是对亮度信号进行处理。现场可编程门阵列4采用灰度变换法对亮度信号进行处理。灰度变化法有线性灰度变换、分段线性灰度变换、根号灰度变换、灰度均衡变换、对数灰度变换、常规灰度变换等。本发明现场可编程门阵列2采用分段灰度变换，将图像的灰度函数f(x，y)变换为一个新的图像函数g(x，y)，即g(x，y)＝T[f(x，y)]，其数学表达式为：

$g(x,y)=\left\{\begin{array}{cc}\frac{c}{a}\·f(x,y),& (0\≤f(x,y)\≤a)\\ \frac{d-c}{b-a}\·[f(x,y)-a],& (a\≤f(x,y)\≤b)\\ \frac{M-d}{M-b}\·[f(x,y)-b]+d,& (b\≤f(x,y)\≤M)\end{array}\right.---\left(2\right)$

式中M为图像最大灰度值，a、b、c、d都是系数。通过调节拐点的位置及分段直线的斜率，即可实现对任意灰度区间的扩展和压缩。

3.TFT液晶盒的透过率

本发明探测器，将液晶板12的透过率与光强控制相结合，利用电压改变液晶22的折射率，导致液晶板12的透过率改变，使得微光像增强器在10⁵lx照度强光的照射下，不仅能正常工作，还能清晰成像。

偏振光入射至扭曲向列液晶，光的偏振态随液晶分子的扭曲而发生改变。由于液晶具有改变入射光偏振态的能力，将光照射到液晶板，通过液晶板中的液晶，达到改变入射光相位以及入射光光强的目的。将检偏器设置于液晶板后面，则光经过检偏器后，其透射率T满足关系：

$T=\frac{{\sin }^2\left(\frac{1}{2}\mathrm{\π}\sqrt{1+{(\mathrm{\Δ}/\mathrm{\π})}^2}\right)}{1+{(\mathrm{\Δ}/\mathrm{\π})}^2}---\left(3\right)$

式中，光程差 $\mathrm{\Δ}=\frac{2\mathrm{\π}}{{\mathrm{\λ}}_0}(n_e-n_o)d,$ d为液晶厚度，λ₀为真空中的光波长。

(3)式中，当Δ<<π时，透射率T接近1，液晶透光达到最大。当Δ>>π时，透射率T接近零，相当于液晶不透光。选择合理的液晶厚度和双折射材料，使Δ>>π，即可实现液晶不透光，此为扭曲向列液晶的扭曲特性。同理，如果输入的偏振光偏振方向沿y轴，则通过液晶后，光的偏振方向沿x轴，偏振光的偏振态随液晶指向矢的转动而转动。

垂直入射光通过液晶盒后，产生的非常光(e光)和寻常光(o光)之间的相位差可以由以下公式得到：

$\mathrm{\&delta;}=\frac{2\mathrm{\&pi;d}}{{\mathrm{\&lambda;}}_0}\&CenterDot;\{\frac{1}{d}{\&Integral;}_0^d{n}_e\left(\mathrm{\&theta;}\right)\mathrm{dz}-n_o\}---\left(4\right)$

式中，n_e(θ)由(1)式得到：

$n_e\left(\mathrm{\&theta;}\right)=\frac{n_e{n}_o}{\sqrt{n_e{\sin }^2\mathrm{\&theta;}+n_o{\cos }^2\mathrm{\&theta;}}}---\left(5\right)$

液晶指向矢与z轴，即电压方向之间的角度θ的大小与液晶两端所加电压有关，电控双折射产生的相位与液晶两端施加的电压有关，即电压与透过率有关。

本发明探测器的工作原理：

探测器包括镜头A1和镜头B13，镜头A1对应的光路中设置的测光CCD系统2实时检测进入系统的光照度，并使测光CCD系统2的像素值与液晶板12的像素值相吻合且保持一一对应，将测光CCD系统2的采集的视频信号输入视频采集模块3，经视频采集模块3解码、采样转换为数字信号，该数字信号输入现场可编程门阵列4，现场可编程门阵列4将数字信号转变为亮度信号，该亮度信号根据预先设置的阈值进行控制和调整。高照度光强进入探测系统时，按经验函数关系将其亮度降低至探测器的阈值范围内，同时也可对相对暗的部分进行适当的处理。现场可编程门阵列4将亮度信号输送至液晶板12，其输出的亮度信号分为行、场两个同步信号以及送至驱动电路的输入端R、G和B的三路分离的视频信号，完成对TFT-LCD液晶板12的驱动和控制，通过其单像素的透过率进行局部选通。

本发明探测器，通过测光CCD系统2获取的图像信息转换的电压信号，对液晶板12的各个像素点的光强透过率进行控制，实现光强自动控制局部选通，使得成像系统在10⁵lx高光强照度下，能正常工作和清晰成像，扩大探测器的动态范围，适应全天侯工作的要求。

Claims (3)

1.一种基于液晶板自动控制光强实现局部选通的探测器，其特征在于，包括探测器壳体(24)，该探测器壳体(24)内，分成上下两部分，上部分依次包括测光CCD系统(2)、视频采集模块(3)、现场可编程门阵列(4)、液晶驱动模块(5)、电源(6)和显示屏(7)，下部分依次包括液晶板(12)、像增强器(11)、光纤光锥(10)和CCD(9)，与测光CCD系统(2)相接的一端在探测器壳体(24)的外部设置有镜头，与液晶板(12)相接的一端在探测器壳体(24)外部设置有镜头B(13)，所述的镜头A(1)和镜头B(13)并排设置。

2.根据权利要求1所述的探测器，其特征在于，所述的液晶板(12)安装于像增强器(11)前的光学系统中，耦合于测光CCD系统(2)的光阴极前，并位于光学系统的焦平面。

3.根据权利要求1或2所述的探测器，其特征在于，所述的液晶板(12)选用高温多晶硅薄膜晶体管液晶显示板。

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