CN101393339B - 基于htps液晶板的局部选通探测器 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种基于HTPS液晶板的局部选通探测器，包括探测器壳体，该探测器壳体内分为上下两个腔体，上部腔体包括依次设置的电路系统和显示屏，下部腔体包括依次设置的HTPS液晶板、光纤光锥和光电转换器，与电路系统相接的一端探测器壳体的外部设置有测光模块镜头，与HTPS液晶板相接的一端在探测器壳体的外部设置有主镜头组。本发明探测器通过精确控制HTPS液晶板，自动完成光路中图像光强的局部选通，对到达光电转换器上每个像素点的光强进行精确调节，且可人为干预不同亮度区域的不同衰减，提升光电转换器的正常工作范围，能有效保护光路后面设置的光电转换器，从根本上解决了摄像系统宽容度的问题。

Description

基于HTPS液晶板的局部选通探测器

技术领域

本发明属于光电子设备制造技术领域，涉及一种探测器，具体涉及一种基于HTPS液晶板的局部选通探测器。

背景技术

宽容度是摄影(摄像)系统中感光材料按比例正确记录景物亮度范围的能力，是衡量数字光电成像系统成像质量是否满足要求的一个重要指标。

目前，主要通过改变像素点的结构和排列方法等措施，来提高成像系统的宽容度。例如富士康公司的Super CCD EXR成像系统，其设计思想是将八边形像素单元旋转45°蜂窝状排列，使像素间水平、垂直距离比像素本身对角线距离短。这种更符合人类视觉特点的结构能有效提高封装密度，同时，由于垂直轴上间隙较大，其垂直、水平方向分辨力均高于对角线分辨力，而二者正是影响CCD分辨力的关键。计算图像质素时，传统CCD以3×3方式排列，这样仅构成水平、垂直各三条扫描线；超级CCD采用像素蜂窝排列方式，其水平、垂直有效扫描线各达5条。根据富士公司发表的技术资料，超级CCD这种排列方式，感光时可达到传统CCD两倍的分辨力。而相同数量的感光单元相当于传统CCD产生的影像1.6倍。使得190万像素超级CCD的图像质量与300万像素传统CCD的图像质量相当。体现在图像质量上就是超级CCD这种结构显著提高灵敏度、信噪比、且具有更宽的宽容度动态范围，产生的图像具有更丰富、更逼真的色彩和清晰度。并采用灵活精度的曝光控制同时对同一场景进行两次拍摄：一次以高感光度拍摄，另一次以低感光度拍摄，然后，将两次拍摄的效果合并使成像系统中的感光材料获得高宽容度的效果。EXR传感器采用的“双重曝光控制”通过控制不同的曝光时间(电荷累积时间)实现不同的感光度。该结构中的两组捕捉通道“先后”同时工作，采集到两组图像信息，将该两组图像信息合并生成所需的图像。

适马数码单反SD10中的Foveon X3影像传感器，利用硅片固有的对不同波长光线的分离吸收特性，如硅片感光时，其近表面吸收蓝色光，中间部位吸收绿色光，底部吸收红色。每一个像素传感器位于硅片相应的深度，来独立捕获红、绿、蓝三原色。由于这种技术同传统的银盐胶片感光涂层的技术非常相似，所以能提供比普通CCD、CMOS感光元件锐利达两倍的图像。同时具有丰富饱和的色彩和惊人的细节表现能力，并避免了传统传感器的色彩干扰现象。由此Foveon X3可以在每个像素上直接捕捉全部色彩和细节，无需插值计算。这样保持了色彩的完整，相机会更有效率地、精确地复制色彩，比起传统影像传感器，提供更加锐利的图象分辨率。但上述成像系统在提高数字成像系统的宽容度方面具有局限性，未从根本上解决数字成像系统宽容度的问题。

发明内容

为克服现有技术提高数字成像系统宽容度存在的局限性，本发明的目的是提供一种基于HTPS液晶板的局部选通探测器，从根本上解决了数字成像系统宽容度的问题。

本发明所采用的技术方案是，一种基于HTPS液晶板的局部选通探测器，包括探测器壳体，该探测器壳体内分为上下两个腔体，上部腔体包括依次设置的电路系统和显示屏，下部腔体包括依次设置的HTPS液晶板、光纤光锥和光电转换器，与电路系统相接的一端探测器壳体的外部设置有测光模块镜头，与HTPS液晶板相接的一端在探测器壳体的外部设置有主镜头组。

本发明的特征还在于，

电路系统包括按光线入射方向依次独立设置的实时测光模块、图像处理模块和液晶驱动模块，实时测光模块包括相连接的测光CCD和CCD数据采集单元，图像处理模块包括依次连接的图像处理单元、计算处理单元和图像采集单元，CCD数据采集单元与图像采集单元相连接，图像处理单元与液晶驱动模块相连接。

液晶驱动模块包括LCD，LCD分别与电源器、采样/保持驱动器A、采样/保持驱动器B和脉冲发生器相连接，采样/保持驱动器A分别与信号处理器和锁相器连接，采样/保持驱动器B分别与脉冲发生器和锁相器相连接。

HTPS液晶板位于主镜头组的焦平面上。

本发明探测器利用高温聚硅HTPS(High Temperature Poly-Silicon)型薄膜场效应晶体管液晶TFT-LCD，通过控制LCD每个像素点内液晶分子的矢倾斜角，精确调节每个像素的光通量，进而精确控制到达光电转换器件每个像素的光强，达到提升系统宽容度的目的。具有以下优点：

1.液晶器件的透过率在1％～30％之间，可在很大范围内对光电转换器件上每个像素点的光强进行精确调节，即宽范围无级调节宽容度。

2.系统算法设定的光强衰减系数，可以进行手动改变，即可以在物理层上人为干预不同区域亮度衰减，以满足不同需要。

3.液晶板能够将亮度衰减最多3个数量级，可以有效地保护光电转换器件，或提升其正常工作的动态范围。

附图说明

图1是本发明探测器的结构示意图；

图2是本发明探测器中电路系统的结构示意图；

图3是本发明探测器中液晶驱动模块的结构示意图；

图4是本发明探测器中HTPS液晶板的结构示意图；

图5是本发明探测器中CCD输出信号的波形图。

图中，1.测光模块镜头，2.实时测光模块，3.图像处理模块，4.液晶驱动模块，5.监视屏，6.空腔A，7.隔板，8.光电转换器，9.空腔B，10.光纤光锥，11.HTPS液晶板，12.探测器壳体，13.主镜头组，14.微透镜阵列，15.起偏器，16.玻璃基板，17.透明电极，18.液晶分子，19.取向膜，20.检偏器。

其中，2-1.测光CCD，2-2.CCD数据采集单元，3-1.图像采集单元，3-2.计算处理单元，3-3.图像还原单元，4-1.信号处理器，4-2.锁相器，4-3.脉冲发生器，4-4.采样/保持驱动器A，4-5.采样/保持驱动器B，4-6.LCD，4-7.电源器。

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12，探测器壳体12内部通过隔板7分为空腔A6和空腔B9，空腔A6内依次设置有实时测光模块2、图像处理模块3、液晶驱动模块4和监视屏5，空腔A6一端的外部设置有与实时测光系统2相连接的测光模块镜头1，监视屏5设置于空腔A6的另一端；空腔B9内依次设置有HTPS液晶板11、光纤光锥10和光电转换器8，空腔B9一端的外部设置有与HTPS液晶板11相连的主镜头组13，主镜头组13与测光模块镜头1并排设置；HTPS液晶板11位于主镜头组13的焦平面。

图2所示为本发明探测器电路系统的结构。包括独立设置的实时测光模块2、图像处理模块3和液晶驱动模块4，实时测光模块2包括测光CCD2-1，测光CCD2-1与CCD数据采集单元2-2相连接，图像处理模块3包括依次相连的图像还原单元3-3、计算处理单元3-2和图像采集单元3-1，图像采集单元3-1与CCD数据采集单元2-2相连接，图像还原单元3-3与液晶驱动模块4相连接。

本发明探测器中液晶驱动模块4的结构，如图3所示。包括LCD4-6，LCD4-6分别与电源器4-7、采样/保持驱动器A4-4、采样/保持驱动器B4-5和脉冲发生器4-3相连接，采样/保持驱动器B4-5分别与脉冲发生器4-3和锁相器4-2相连接，采样/保持驱动器A4-4分别与锁相器4-2和信号处理器4-1相连接。

本发明探测器中液晶驱动模块4的采样/保持驱动器A 4-4和采样/保持驱动器B 4-5选用CXA2112R、信号处理器4-1采用CXA2111R、脉冲发生器4-3采用CXD2453Q、锁相器4-2采用CXA3106。

本发明探测器中HTPS液晶板11的结构，如图4所示。包括平行设置的检偏器20和微透镜阵列14，检偏器20与微透镜阵列14之间、由检偏器20到微透镜阵列14依次设置有玻璃基板16、透明电极17、两层取向膜19、透明电极17、玻璃基板16和起偏器15，两层取向膜19之间设置有液晶分子18。

本发明探测器中的HTPS液晶板11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、驱动器可内置和快速响应等特点，并采用微透镜技术，在光线射入侧的基板上，布满微透镜，该微透镜的大小与一个像素的面积大致相同，能够将射入的光线集中于液晶板11像素单元的开口部分，以使更多的光线通过屏面，将屏面的亮度提高1.5～1.6倍。高温多晶硅薄膜晶体管液晶显示板由多个像素组成，每个像素内的液晶分子在不同电压下的排列方式发生变化，因此，可以改变透过液晶板像素光线的振动方向，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，实现器件的自动光强控制，使得光电转换器8接收到的图像信息经过不同区域衰减，实现光强的局部选通。

HTPS液晶板11处于主镜头组13的焦平面上，利用光纤光锥10将HTPS液晶11和光电转换器8耦合，并且采用相同分辨率的测光CCD与HTPS液晶11，用以确定精确的过亮图像范围。

本发明探测器中主要部件的工作原理

1.TFT-LCD液晶板

HTPS液晶板11利用液晶分子18的扭曲向列效应和场致指向矢重新排列效应对光强进行控制。将液晶分子18置于两块玻璃基板16之间，两块玻璃基板16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°，入射自然光经过起偏器15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°，与检偏器20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，在沿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，扭曲螺旋结构开始被破坏。

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。改变HTPS液晶板11中每个像素的电压，就会改变向矢倾斜角θ的值，折射率差Δn随之而变，导致出射光的偏振态发生变化，使透过输出偏振器的光变弱。当电压增强，致使液晶指向矢完全偏转，与电场方向一致时，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HTPS液晶板11每个像素的电压，可改变HTPS液晶板11的透过率，实现对光强的控制。

2.实时测光模块

实时测光模块2为图像处理模块提供实时图像数据，测光模块镜头1采集的图像信息于测光CCD2-1上成像，该图像信息被测光CCD2-1感知并转换成模拟信号，此模拟信号一般由数据脉冲和暗电流脉冲组成，并掺杂着注入噪声、转移噪声和输出噪声，通过低通滤波、相关双取样、黑电平放大和信号放大等方法对其进行降噪处理，形成包含当前图像信息的模拟信号数据流，该模拟信号数据流的输出波形如图5所示，图中a表示复位电压、b表示参考电压、c表示信号电压、d表示馈通电压；然后，将经过降噪处理的模拟信号数据流输送至CCD数据采集单元2-2。

CCD数据处理单元2-2将接收的模拟信号数据流进行采样，并转换成数字信号后输出。CCD数据处理单元2-2包括驱动部分、采集部分和处理部分。驱动部分为实时测光模块1提供电源和时钟信号；采集部分是A/D转换芯片，对模拟信号数据流进行高精度采样并将其转换为数字信号；处理部分将转换得到的数字信号转变为ITU-RBT.601/656YUV格式的标准PAL(PhaseAlternating Line)格式。

PAL格式具有625线，每秒25格，隔行扫描，采用ITU-R BT.601/656YUV色彩编码的特点，采用逐行倒相正交平衡调幅的方法，对同时传送的两个色差信号中的一个色差信号采用逐行倒相，另一个色差信号进行正交调制方式，使得相邻两行信号的相位相反，传输过程中若信号发生相位失真，则相邻两行信号互相补偿，有效地避免了因相位失真引起的色彩变化。克服了NTSC制相位敏感造成色彩失真的缺点。因此，PAL格式对相位失真不敏感，图像彩色误差较小，图像处理时可更精准的对不同区域的亮度进行区分。

PAL采用ITU-RBT.601/656YUV格式的数据，其中“Y”表示明亮度(Luminance或Luma)，也就是灰阶值；而“U”和“V”均表示色度(Chrominance或Chroma)，作用是描述影像色彩及饱和度，用于指定像素的颜色。“亮度”是透过RGB输入信号来建立，方法是将RGB信号的特定部分叠加到一起。“色度”则定义了颜色的两个方面-色调与饱和度，分别用Cr和CB来表示。其中，Cr反映了GB输入信号红色部分与RGB信号亮度值之间的差异。而CB反映的是RGB输入信号蓝色部分与RGB信号亮度值之同的差异。YUV最大的优点在于只需占用极少的频宽(RGB要求3个独立的视频信号同时传输)。

3.图像处理模块

图像处理模块3接收CCD数据采集单元2-2传输的YUV格式的数据，并采集其中的Y通道信息，对其计算处理。

首先，计算出整幅图像的平均亮度Y，将每个像素点的亮度与其进行差值计算，得到Y_d(m，n)，参数m、n为像素坐标，并记录过亮部分的地址A_d(m，n)，对亮度差值不同的区域按下式计算不同的亮度衰减系数D_(m，n)：

$D_{(m,n)}=\left\{\begin{array}{cc}0& 0\≤Y_{d(m,n)}\≤a\\ k_1\frac{Y_{d(m,n)}}{\stackrel{\‾}{Y}}& a\≤Y_{d(m,n)}\≤b\\ k_2\frac{Y_{d(m,n)}}{\stackrel{\‾}{Y}}& b\≤Y_{d(m,n)}\≤c\\ k_3\frac{Y_{d(m,n)}}{\stackrel{\‾}{Y}}& c\≤Y_{d(m,n)}\≤d\\ ...& ...\end{array}\right.---\left(2\right)$

式中，k_{i(i＝1，2，3...)}为经验系数，由经验公式确定；a，b，c，d为精度参数，用于确定亮度区域。

通过调节各常数和经验系数，可以对任意区域进行亮度调整。

然后，将亮度衰减系数D_(m，n)与经验系数k_i按照原像素地址A_d(m，n)还原成一幅仅有亮度衰减值的图像，并将其发送至液晶驱动模块4，通过HTPS液晶板11予以显示，使得原始图像经过液晶驱动模块4后按照不同区域进行可控的亮度衰减。

由于液晶驱动模块4采用VGA接口，图像处理模块3还要将生成的YUV格式的信号和行列场频信号HSYNC和VSYNC转换成VGA接口的RGB编码，其原理是将YUV色彩空间转换至RGB色彩空间。根据三基色原理，任意一种色光F都可以用不同分量的R、G、B三色相加混合而成，其表达式为：

F＝r(R)+g(G)+b(B)    (3)

式中，r、g、b分别为三基色参与混合的系数。

三基色分量均为0(最弱)时，三基色混合为黑色光；三基色分量均为k(最强)时，三基色混合为白色光。调整r、g、b三个系数的值，可以混合出介于黑色光和白色光之间的各种色光。YUV与RGB相互转换的公式如下：

$\left\{\begin{array}{c}Y=0.299R+0.587G+0.114B\\ U=-0.147R-0.289G+0.436B\\ V=0.615R-0.515G-0.100B\\ R=Y+1.14V\\ G=Y-0.39U-0.58V\\ B=Y+2.03U\end{array}\right.---\left(4\right)$

式中，R、G、B的取值范围均为0-255。

4.液晶驱动模块

液晶驱动模块4中的电源器4-7为各芯片提供5V和3.3V电源，利用15.5V和13.5V直流电源直接驱动液晶片。

信号处理器4-1用于调节液晶板的RGB色彩，具有独立RGB通道伽马调节，3点伽马增益或偏移调节(一点在白色区域，两点在黑色区域)，独立RGB输出增益和偏压调节，多种I2C总线控制，输入信号钳位功能，黑色限幅调节等功能，并具有高频率响应、高转换速率等特点。

采样/保持驱动器A 4-4和采样/保持驱动器B 4-5包括线型转换放大器、模拟多路反向转接器，定时信号发生器和输出缓存，具有支持XGA分辨率的高速信号处理能力、全带宽响应、低相位翻转延时等特点，并利用偶极发射逻辑提供片上定时信号，具有点时钟调整功能，为HTPS液晶板11提供12个通道的色彩信号。

脉冲发生器4-3为液晶提供行列扫描信号HSYNC和VHYNC，支持XGA(1024×768)和S-XGA(1280×1024)分辨率，在XGA工作模式下行扫描信号频率为44-69kHz，列扫描信号频率为55-85Hz；在S-XGA工作模式下提供脉冲限幅器，将行扫描信号频率限制在69kHz以下。具有线翻转和场翻转功能，并可自动控制采样/保持驱动器CXA2112R的采样保持位。在无信号时输出交流信号驱动LCD4-6，以保护长时间处于高电压下的液晶分子18不被损坏。

锁相器4-2为整个驱动电路提供各类时钟信号，其内部有相位检测器、电荷泵浦和压控振荡器与计数器。扫描频率输入范围为10-100kHz，输出时钟频率为10-120MHz，时钟延时在1/16至20/16个时钟周期之内，输入输出电平信号支持TTL和PECL两种制式。具有相位检测、UNLOCK输出和2档省电模式等功能。

液晶驱动模块4将水平同步信号HSYNC输入到锁相器4-2，垂直同步信号VSYNC输入到脉冲发生器4-3。R、G、B三路独立视频信号经信号处理器4-1进行伽马矫正、增益和偏压的调整，经调整的信号输入到采样/保持驱动器，采样/保持驱动器将采样/保持后的视频信号VSIQ1-12直接输送到液晶屏，同时，脉冲发生器4-3将其它必须的时钟信号输送给HTPS液晶板11。

本发明探测器中电路系统的工作原理

该电路系统包括两个光路，四个电路模块；测光模块镜头1对应的光路，利用实时测光模块2实时采集当前的图像，测光CCD3-1的像素与HTPS液晶板11的像素保持一致，且一一对应。实时测光模块2对测光CCD2-1检测到的图像信息进行降噪处理和采样，编码成ITU-RBT.601/656YUV格式的标准PAL格式输至图像处理模块3。图像处理模块3采集实时测光模块2输送的信号中的Y通道亮度信息，计算整幅图像平均亮度，计算每个像素点亮度与平均亮度差值，根据(2)式中的经验参数k_{i(i＝1，2，3...)}和精度参数a，b，c，d...计算各个区域亮度衰减系数，并将各点亮度衰减系数还原成图像，输送至液晶驱动模块4。液晶驱动模块4将由图像处理模块3还原的RGB图像信息和原始行场频扫描信号合成为驱动液晶的输入信号，驱动液晶显示，完成对实时信息的采集、处理和显示，并驱动液晶对光路中的图像进行局部选通。

本发明探测器中的电路系统通过对HTPS液晶板11的精确控制，不仅自动完成对光路中图像光强的局部选通，对到达光电转换器8上每个像素点的光强进行精确调节，而且可人为干预不同亮度区域的不同衰减，提升光电转换器8的正常工作范围。同时，在光强超过光电转换器8的最大承受范围时，能有效保护光路后面设置的光电转换器8，从而根本上解决了摄像系统宽容度的问题。

Claims (2)

1.一种基于HTPS液晶板的局部选通探测器，其特征在于，包括探测器壳体(12)，该探测器壳体(12)内分为上下两个腔体，上部腔体包括依次设置的电路系统和显示屏(5)，下部腔体包括依次设置的HTPS液晶板(11)、光纤光锥(10)和光电转换器(8)，与电路系统相接的一端的探测器壳体(12)的外部设置有测光模块镜头(1)，与HTPS液晶板(11)相接的一端的探测器壳体(12)的外部设置有主镜头组(13)，所述的HTPS液晶板(11)位于主镜头组(13)的焦平面上，所述的电路系统包括按光线入射方向依次独立设置的实时测光模块(2)、图像处理模块(3)和液晶驱动模块(4)，实时测光模块(2)包括相连接的测光CCD(2-1)和CCD数据采集单元(2-2)，图像处理模块(3)包括依次连接的图像处理单元(3-3)、计算处理单元(3-2)和图像采集单元(3-1)，CCD数据采集单元(2-2)与图像采集单元(3-1)相连接，图像处理单元(3-3)与液晶驱动模块(4)相连接。

2.根据权利要求1所述的探测器，其特征在于，所述的液晶驱动模块(4)包括LCD(4-6)，LCD(4-6)分别与电源器(4-7)、采样/保持驱动器A(4-4)、采样/保持驱动器B(4-5)和脉冲发生器(4-3)相连接，采样/保持驱动器A(4-4)分别与信号处理器(4-1)和锁相器(4-2)连接，采样/保持驱动器B(4-5)分别与脉冲发生器(4-3)和锁相器(4-2)相连接。

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