CN102829879B - 集成液晶光控阵与面阵光敏结构的红外成像探测芯片 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种集成液晶光控阵与面阵光敏结构的红外成像探测芯片，包括陶瓷外壳、液晶基红外成像探测架构以及金属散热板，金属散热板设置在陶瓷外壳后部并与其固联，用于对芯片散热，液晶基红外成像探测架构设置在陶瓷外壳内，并包括驱控与图像预处理模块、面阵非制冷红外探测器、以及面阵电控液晶微透镜，三者同轴顺序设置，每单元电控液晶微透镜与多个顺序排列的非制冷红外探测器构成的子红外探测器阵列对应，各子红外探测器阵列具有相同的探测器数量和排布方式。本发明具有结构紧凑，覆盖多个红外谱段，红外成像探测效能高，基于液晶光控阵快速控光的成像干扰抑制与纠错，易与其它光学/光电/机械结构耦合，环境适应性好的特点。

Description

集成液晶光控阵与面阵光敏结构的红外成像探测芯片

技术领域

本发明属于红外成像探测技术领域，更具体地，涉及一种集成液晶光控阵与面阵光敏结构的红外成像探测芯片。

背景技术

迄今为止，人们通过不断改进、升级以及研发新型的阵列化红外光敏结构，如持续增大光敏阵列规模，缩小光敏结构尺寸，提高光敏材料的响应灵敏度，增大光敏阵列的填充系数以及降低噪声等，使红外成像探测效能得到改进与增强。目前商用的红外CCD、CMOS探测器的阵列规模，均分别超过了千万和百万像素量级。面阵非制冷红外探测器的性能指标，也在与制冷型器件迅速接近。主要基于光热效应的纳米管基光敏技术，以及基于共振感应效应的人工超材料光敏技术等，也在快速发展。基于量子效应的大面阵量子点和量子线光敏器件，已成为新一代光电探测结构的有力竞争者。通过将CCD、CMOS、FPAs（Focal Plane Arrays）等探测阵列与微纳光学/光电结构耦合，构造功能化的灵巧成像探测组件，已显示出良好的发展前景。阵列化的光电响应和图像信息处理功能已实现混合、单片集成。具有空间分辨率高，光电转换能力强，易与其它功能结构耦合，模块化组成，光电与数字图像信息处理一体化的成像探测技术，目前仍在快速发展。

一般而言，基于阵列化CCD、CMOS或FPAs的红外成像探测架构，通过光学系统将红外光波在其焦面处高度压缩，形成微/纳米尺度的光斑阵列。在有障碍物、干扰体或遮蔽媒介存在的条件下，如大气湍流、烟雾、火花、强烈反光、漂浮物、主动干扰光波、飘动的云层、雨雪天气、烟雾、湿气、人工隐身措施、温度骤升引发的辐射遮挡或屏蔽作用、爆炸性烟尘、人工扬尘或沙尘暴等，仅能将直接暴露于光学系统前的混合辐射特征记录下来。环境或扰动引发的光学效应，也将同时植入所形成的压缩光场以及后续的电子图像信息中，影响图像参量包括图像分辨率、对比度和清晰度等。目前的图像信息处理也仅能对图像质量进行有限程度的改善或优化。现有问题仍然是：常规的阵列化光敏手段不具备芯片级的快速光学调变功能，抗干扰能力和环境适应性严重不足。上述缺陷因探测架构原因不可能随光敏器材性能指标的提升而自动消失，图像信息处理也仅能对表观图像数据进行有限的变换或校正。

发明内容

本发明的目的在于提供一种覆盖多个红外谱段，红外成像探测效能高，基于液晶光控阵快速控光的成像干扰抑制与纠错，易与其它光学/光电/机械结构耦合，集成电子学驱控和读出，目标与环境适应性好的集成液晶光控阵与面阵光敏结构的红外自适应成像探测芯。

实现本发明的目的所采用的技术方案是：

为实现上述目的，本发明提供了一种集成液晶光控阵与面阵光敏结构的红外成像探测芯片，包括陶瓷外壳、液晶基红外成像探测架构以及金属散热板，金属散热板设置在陶瓷外壳后部并与其固联，用于对芯片散热，液晶基红外成像探测架构设置在陶瓷外壳内，并包括驱控与图像预处理模块、面阵非制冷红外探测器、以及面阵电控液晶微透镜，三者同轴顺序设置，每单元电控液晶微透镜与多个顺序排列的非制冷红外探测器构成的子红外探测器阵列对应，各子红外探测器阵列具有相同的探测器数量和排布方式，子红外探测器阵列的数量与面阵电控液晶微透镜的阵列规模一致，驱控与图像预处理模块采用SoC和FPGA结构，用于为面阵电控液晶微透镜与面阵非制冷红外探测器提供驱动和调控信号，面阵电控液晶微透镜用于接收目标红外光波，将目标红外光波离散成子孔径红外波束阵列，并将子孔径红外波束聚焦或汇聚在与其对应的单元非制冷红外探测器上，子红外探测器阵列用于将子孔径红外波束转换为电响应信号，驱控与图像预处理模块用于对电响应信号进行数字化、配准和校正处理后，得到红外图像数据并输出，面阵电控液晶微透镜还用于根据调控信号改变其焦长和通光孔径，从而调变聚焦在子红外探测器上的子孔径红外波束的辐射通量，进而改变子红外探测器的电响应信号强度以及红外图像数据。

陶瓷外壳的侧面还设置有第一指示灯，其与驱控与驱控与图像预处理模块电连接，用于显示面阵电控液晶微透镜处在正常工作状态，陶瓷外壳的侧面还设置有第二指示灯，其与驱控与图像预处理模块电连接，用于显示面阵非制冷红外探测器处在正常工作状态，陶瓷外壳的侧面还设置有驱控与图像信息通讯端口，用于输出面阵电控液晶微透镜与面阵非制冷红外探测器的驱动和调控信号，以及输入面阵非制冷红外探测器的电响应信号，陶瓷外壳的侧面还设置有探测器驱控和通讯端口，其与驱控与图像信息通讯端口电连接，用于输入面阵非制冷红外探测器的驱动和调控信号，以及输出电响应信号，陶瓷外壳的侧面还设置有微透镜驱控信号输入端口，其与驱控与图像信息通讯端口电连接，用于输入面阵电控液晶微透镜的驱动和调控信号，陶瓷外壳的侧面还设置有第三指示灯，其与驱控与图像预处理模块电连接，用于显示驱控与图像预处理模块处在正常工作状态，陶瓷外壳的侧面还设置有指令输入与图像数据输出端口，用于与外部电子装置连接以接收工作指令，以及输出红外图像数据，陶瓷外壳的侧面还设置有第四指示灯，其与驱控与图像预处理模块电连接，用于显示通讯端口处在正常工作状态。

陶瓷外壳的底面还设置有电源端口，用于接入电源线以与外部电源连接，陶瓷外壳的底面还设置有第五指示灯，其与驱控与图像预处理模块电连接，用于显示电源已接通。

通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，具有以下的有益效果：

1、探测能力强，由于本发明采用面阵电控液晶微透镜对入射红外辐射进行离散化处理，以及对子孔径红外波束的空间分布状态进行电控调变，从大小两方面扩展了入射红外辐射通量的测量范围，所以本发明具有探测能力强的优点。

2、快速抑制干扰与纠错，由于本发明采用了焦长和通光孔径电调变的液晶微透镜，其具有动态变焦和电调能量利用率的特点，所以本发明具有快速抑制成像干扰与纠错的优点。

3、目标和环境适应性好，由于本发明采用了光学性能可快速调变的液晶微透镜，可根据环境和目标情况对入射红外辐射通量进行快速调节，所以本发明具有目标和环境适应性好的优点。

4、探测谱域宽，由于本发明采用了非制冷红外探测器，可以对1-3μm、3-5μm以及8-14μm等谱段的红外光波进行探测，所以本发明具有探测谱域宽的优点。

5、使用方便，由于本发明采用了集成电控液晶微透镜、非制冷红外探测器、以及驱控与图像预处理模块这样的芯片架构，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是本发明的集成液晶光控阵与面阵光敏结构的红外成像探测芯片的结构示意图

图2是本发明的集成液晶光控阵与面阵光敏结构的红外成像探测芯片的原理示意图。

图1中：1-第一指示灯，2-微透镜驱控信号输入端口，3-面阵电控液晶微透镜，4-第二指示灯，5-探测器驱控和通讯端口，6-面阵非制冷红外探测器，7-驱控与图像预处理模块，8-金属散热板，9-驱控与图像信息通讯端口，10-第三指示灯，11-指令输入与图像数据输出端口，12-第四指示灯，13-电源端口，14-第五指示灯，15-陶瓷外壳。

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用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明集成液晶光控阵与面阵光敏结构的红外成像探测芯片包括陶瓷外壳15、液晶基红外成像探测架构以及金属散热板8。

金属散热板8设置在陶瓷外壳15后部并与其固联，用于对芯片散热。

液晶基红外成像探测架构设置在陶瓷外壳15内，并包括驱控与图像预处理模块7、面阵非制冷红外探测器6、以及面阵电控液晶微透镜3，三者同轴顺序设置。

每单元电控液晶微透镜与多个顺序排列的非制冷红外探测器构成的子红外探测器阵列对应，各子红外探测器阵列具有相同的探测器数量和排布方式，子红外探测器阵列的数量与面阵电控液晶微透镜的阵列规模一致；

驱控与图像预处理模块7采用SoC和FPGA结构，用于为面阵电控液晶微透镜3与面阵非制冷红外探测器6提供驱动和调控信号。

面阵电控液晶微透镜3用于接收目标红外光波，将目标红外光波离散成子孔径红外波束阵列，并将子孔径红外波束聚焦或汇聚在与其对应的单元非制冷红外探测器上。

子红外探测器阵列用于将子孔径红外波束转换为电响应信号。

驱控与图像预处理模块7用于对电响应信号进行数字化、配准和校正处理后，得到红外图像数据并输出。

面阵电控液晶微透镜3还用于根据调控信号改变其焦长和通光孔径，从而调变聚焦在子红外探测器上的子孔径红外波束的辐射通量，进而改变子红外探测器的电响应信号强度以及红外图像数据。

陶瓷外壳15的侧面还设置有第一指示灯1，其与驱控与驱控与图像预处理模块7电连接，用于显示面阵电控液晶微透镜3处在正常工作状态。

陶瓷外壳15的侧面还设置有第二指示灯4，其与驱控与图像预处理模块7电连接，用于显示面阵非制冷红外探测器6处在正常工作状态。

陶瓷外壳15的侧面还设置有驱控与图像信息通讯端口9，用于输出面阵电控液晶微透镜3与面阵非制冷红外探测器6的驱动和调控信号，以及输入面阵非制冷红外探测器6的电响应信号。

陶瓷外壳15的侧面还设置有探测器驱控和通讯端口5，其与驱控与图像信息通讯端口9电连接，用于输入面阵非制冷红外探测器6的驱动和调控信号，以及输出电响应信号。

陶瓷外壳15的侧面还设置有微透镜驱控信号输入端口2，其与驱控与图像信息通讯端口9电连接，用于输入面阵电控液晶微透镜3的驱动和调控信号。

陶瓷外壳15的侧面还设置有第三指示灯10，其与驱控与图像预处理模块7电连接，用于显示驱控与图像预处理模块7处在正常工作状态。

陶瓷外壳15的侧面还设置有指令输入与图像数据输出端口11，用于与外部电子装置连接以接收工作指令，以及输出红外图像数据。

陶瓷外壳15的侧面还设置有第四指示灯12，其与驱控与图像预处理模块7电连接，用于显示通讯端口11处在正常工作状态。

陶瓷外壳15的底面还设置有电源端口13，用于接入电源线以与外部电源连接。

陶瓷外壳15的底面还设置有第五指示灯14，其与驱控与图像预处理模块7电连接，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：

如图所示，面阵非制冷红外探测器与具有同等阵列规模的电控液晶微透镜、以及驱控与图像预处理模块混合集成，构成液晶基红外成像探测架构。液晶器件与红外探测器的组合方式为：每单元液晶微透镜与每单元红外探测器一一对应。对单元液晶微透镜而言，通过改变微透镜的驱动电压信号幅度，可使微透镜对入射光束呈现不同的汇聚状态，如典型的散焦和聚焦等，从而改变分布在红外探测器上的光能量强度，进而产生不同幅度的光电响应信号。基于微透镜或探测器位置顺序的光电响应信号，通过驱控与图像预处理模块数字化，再经配准和校准处理，获取红外图像数据并输出。

由幅度不同的电压信号驱控下的液晶微透镜，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-1、-2和-3等。

利用液晶微透镜的电控变焦和电调通光孔径特性，一方面可以根据目标及背景情况，增大或减小投送到探测器上的红外辐射通量，从而增大或减小图像目标的红外能量测量范围，以及降低液晶微透镜间的光串扰噪声；另一方面，通过上述电调作用，可使突发的环境或对抗性因素诱发的光学扰动或干扰，得到一定程度的抑制或较正，从而提高获取红外图像信息的准确性和环境适应能力，因而具备一定的自我纠错能力。

以下简要介绍本发明的操作过程：

操作时，首先用并行控制和信号线连接微透镜驱控信号输入端口2、探测器驱控和通讯端口5、以及驱控与图像信息通讯端口9；用并行通讯线插入通讯端口11；电源线连接到电源端口13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1、第二指示灯4、第三指示灯10、第四指示灯12、以及第五指示灯14接通闪烁，自检通过后第一指示灯1、第二指示灯4、第三指示灯10、以及第四指示灯12熄灭，芯片进入工作环节。通过并行通讯线送入工作指令后，芯片开始进行成像探测操作。光电响应信号由探测器驱控和通讯端口5送入驱控与图像预处理模块7，此时第二指示灯4、第三指示灯10再次接通闪烁。经驱控与图像预处理模块7处理后的红外图像数据，由驱控与图像信息通讯端口9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 (3)

1.一种集成液晶光控阵与面阵光敏结构的红外成像探测芯片，每单元电控液晶微透镜与多个顺序排列的非制冷红外探测器构成的子红外探测器阵列对应，所述各子红外探测器阵列具有相同的探测器数量和排布方式，所述子红外探测器阵列的数量与所述面阵电控液晶微透镜的阵列规模一致，其特征在于，

包括陶瓷外壳、液晶基红外成像探测架构以及金属散热板；

所述金属散热板设置在所述陶瓷外壳后部并与其固联，用于对芯片散热；

所述液晶基红外成像探测架构设置在所述陶瓷外壳内，并包括驱控与图像预处理模块、面阵非制冷红外探测器、以及面阵电控液晶微透镜，三者同轴顺序设置；

所述驱控与图像预处理模块采用SoC和FPGA结构，用于为所述面阵电控液晶微透镜与所述面阵非制冷红外探测器提供驱动和调控信号；

所述面阵电控液晶微透镜用于接收目标红外光波，将所述目标红外光波离散成子孔径红外波束阵列，并将所述子孔径红外波束聚焦或汇聚在与其对应的单元非制冷红外探测器上；

所述子红外探测器阵列用于将所述子孔径红外波束转换为电响应信号；

所述驱控与图像预处理模块用于对所述电响应信号进行数字化、配准和校正处理后，得到红外图像数据并输出；

所述面阵电控液晶微透镜还用于根据所述调控信号改变其焦长和通光孔径，从而调变聚焦在所述子红外探测器上的子孔径红外波束的辐射通量，进而改变所述子红外探测器的电响应信号强度以及所述红外图像数据。

2.根据权利要求1所述的集成液晶光控阵与面阵光敏结构的红外成像探测芯片，其特征在于，

所述陶瓷外壳的侧面还设置有第一指示灯，其与所述驱控与所述驱控与图像预处理模块7电连接，用于显示所述面阵电控液晶微透镜处在正常工作状态；

所述陶瓷外壳的侧面还设置有第二指示灯，其与所述驱控与图像预处理模块电连接，用于显示所述面阵非制冷红外探测器处在正常工作状态；

所述陶瓷外壳的侧面还设置有驱控与图像信息通讯端口，用于输出所述面阵电控液晶微透镜与所述面阵非制冷红外探测器的驱动和调控信号，以及输入所述面阵非制冷红外探测器的电响应信号；

所述陶瓷外壳的侧面还设置有探测器驱控和通讯端口，其与所述驱控与图像信息通讯端口电连接，用于输入所述面阵非制冷红外探测器的驱动和调控信号，以及输出所述电响应信号；

所述陶瓷外壳的侧面还设置有微透镜驱控信号输入端口，其与所述驱控与图像信息通讯端口电连接，用于输入所述面阵电控液晶微透镜的驱动和调控信号；

所述陶瓷外壳的侧面还设置有第三指示灯，其与所述驱控与图像预处理模块电连接，用于显示所述驱控与图像预处理模块处在正常工作状态；

所述陶瓷外壳的侧面还设置有指令输入与图像数据输出端口，用于与外部电子装置连接以接收工作指令，以及输出红外图像数据；

所述陶瓷外壳的侧面还设置有第四指示灯，其与所述驱控与图像预处理模块电连接，用于显示所述通讯端口处在正常工作状态。

3.根据权利要求1所述的集成液晶光控阵与面阵光敏结构的红外成像探测芯片，其特征在于，

所述陶瓷外壳的底面还设置有电源端口，用于接入电源线以与外部电源连接；

所述陶瓷外壳的底面还设置有第五指示灯，其与所述驱控与图像预处理模块电连接，用于显示电源已接通。

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