CN102853917B - 液晶基电调成像波谱面阵红外探测芯片 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种液晶基电调成像波谱面阵红外探测芯片，包括陶瓷外壳、谱红外成像探测架构以及金属散热板，谱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、以及电调成像波谱液晶模块，三者同轴顺序设置，电调成像波谱液晶模块用于接收目标红外入射光，通过其内的多级次高反射干涉相干提取红外入射光中的谱红外光，并传送到面阵非制冷红外探测器，面阵非制冷红外探测器用于对谱红外光进行光电转换，以生成电响应信号。本发明具有结构紧凑，成像波谱响应迅速，可执行任意的波谱切入、凝视或跳转，谱成像探测效能高，易与其它光学/光电/机械结构耦合，以及环境适应性好等特点。

Description

液晶基电调成像波谱面阵红外探测芯片

技术领域

本发明属于红外成像探测技术领域，更具体地，涉及一种液晶基电调成像波谱面阵红外探测芯片。

背景技术

一般而言，源于地球、太阳、星体、干扰或欺骗性光源的光频电磁辐射构成了目标的背景光场。自然或者人工物质结构在材料、组分、能态、构造、形貌、活性以及生存环境方面的差异，使其呈现各异的自发辐射以及对外界电磁辐射的反射、散射或者透射属性，但均有本征的可标记的特征谱电磁信息。它们一般以纳米/亚纳米级谱宽的电磁形态呈现出来，分布在紫外、可见光、红外以及THz谱域。如火箭、飞行器以及导弹的尾焰光辐射呈现窄带连续谱，以及峰值辐射功率随尾焰温度的变化而改变。人工红外源通常表现出微米尺度的辐射带宽，并且随温度变化改变其辐射功率和波长。高相干激光其谱宽常被约束在纳米/亚纳米尺度。爆燃或爆炸发光则与物质的高温燃烧发光类似，其能谱在微米/亚微米范围，并具有窄带连续性、非匀质性和时序性。目前广泛使用的碳材料、工程塑料、陶瓷、玻璃钢、多种无机非金属复合材料对电磁辐射的响应或扰动，则主要存在于远红外甚至THz谱域。

基于物质谱辐射属性的图谱一体化成像技术，目前已应用于环境监视，恐怖装置鉴别，探测使用了工程塑料、高性能陶瓷、无机非金属复合材料的电磁隐身飞行器，对毒品和生化物质进行快速成像检测，提高基于图像信息的安检水平，以及成像探测、观察和制导等方面，并进一步推动成像探测技术的持续快速发展。但现有问题仍然是：基于宽光谱探测器材的谱成像装置仍需配置复杂精密的饲服、驱动或扫描机构，体积和质量大，响应慢，谱图像的生成、转换时间长，电子资源占用量大，不适用于高速载体或目标，难以执行任意的成像波谱切入或跳转。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有强的图谱一体化探测能力，使用方便，成像波谱响应迅速，可执行任意的波谱切入、凝视或跳转，易与其它光学/光电/机械结构耦合，以及环境适应性好的液晶基电调成像波谱面阵红外探测芯片。

为实现上述目的，本发明提供了一种液晶基电调成像波谱面阵红外探测芯片，其特征在于，包括陶瓷外壳、谱红外成像探测架构以及金属散热板，谱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、以及电调成像波谱液晶模块，三者同轴顺序设置，金属散热板设置在陶瓷外壳后部，并与其固联用于芯片散热，电调成像波谱液晶模块用于接收目标红外入射光，通过其内的多级次高反射干涉相干提取红外入射光中的谱红外光，并传送到面阵非制冷红外探测器，面阵非制冷红外探测器用于对谱红外光进行光电转换，以生成电响应信号，驱控与图像预处理模块用于对电响应信号进行量化、配准和校正，以获得谱红外图像数据并输出，驱控与图像预处理模块是基于SoC和FPGA结构，用于为电调成像波谱液晶模块、以及面阵非制冷红外探测器提供驱动和调控信号，电调成像波谱液晶模块还用于根据调控信号改变其液晶材料的折射率，以改变红外入射光中的谱红外光的波长。

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，用于显示红外光电响应数据处在正常的输出状态，陶瓷外壳的侧面还设置有通讯端口，用于与外部电子装置连接以接收指令，用于输出电调成像波谱液晶模块和面阵非制冷红外探测器的工作参数，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第三指示灯，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第五指示灯，其与所属驱控与图像预处理模块电连接，用于显示电调成像波谱液晶模块处在正常工作状态，陶瓷外壳的侧面还设置有驱控信号输出端口，其与探测器驱控信号输入端口以及液晶驱控信号输入端口电连接，用于从驱控与图像预处理模块输出面阵非制冷红外探测器以及电调成像波谱液晶模块的驱动和调控信号，陶瓷外壳的侧面还设置有探测器驱控信号输入端口，其与驱控信号输出端口电连接，用于输入面阵非制冷红外探测器的驱动和调控信号，陶瓷外壳的侧面还设置有液晶驱控信号输入端口，其与驱控信号输出端口电连接，用于输入电调成像波谱液晶模块的驱动和调控信号。

陶瓷外壳的底面还设置有第六指示灯，其与驱控与图像预处理模块电连接，用于显示电源已接通，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。

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、图谱一体化，本发明具有成像波谱选择与红外图像信息获取一体化进行的优点。

2、谱成像方式灵活，由于在确定的电驱控信号范围内可在液晶结构上随意施加驱动和调控信号，本发明具有谱成像探测可在特定红外波段内的任意波谱处展开、凝固或调变的优点。

3、时序多色性，本发明具有依时间顺序展开成像探测并输出谱红外图像信息，以及基于时序谱扫描的多谱复合成像探测的优点。

4、智能化，通过选择或改变液晶结构上的加电模式，使成像探测受先验知识、特征场景或图像处理结果的约束、干预或引导，本发明具有智能化的优点。

5、环境适应性好，由于采用了光学性能可快速调变的液晶波谱结构，可根据环境和目标情况对特征红外入射光波进行快速响应，本发明具有环境适应性好的优点。

6、使用方便，由于采用了集成电调成像波谱液晶模块、非制冷红外探测器、以及驱控与图像预处理模块这样的体系架构，本发明具有接插方便，易与光学系统、外围电子学和机械结构耦合的优点。

附图说明

图1是本发明的液晶基电调成像波谱面阵红外探测芯片的结构示意图

图2是本发明的液晶基电调成像波谱面阵红外探测芯片的原理示意图。

图1中：1-第一指示灯，2-第四指示灯，3-通讯端口，4-图像数据输出端口，5-第二指示灯，6-第三指示灯，7-第五指示灯，8-驱控信号输出端口，9-探测器驱控信号输入端口，10-驱控与图像预处理模块，11-面阵非制冷红外探测器，12-液晶驱控信号输入端口，13-电调成像波谱液晶模块，14-第六指示灯，15-电源端口，16-金属散热板，17-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，本发明的液晶基电调成像波谱面阵红外探测芯片，包括陶瓷外壳17、谱红外成像探测架构以及金属散热板16。

谱红外成像探测架构设置在陶瓷外壳17内，并包括驱控与图像预处理模块10、面阵非制冷红外探测器11、以及电调成像波谱液晶模块13，三者同轴顺序设置。

金属散热板16设置在陶瓷外壳17后部，并与其固联用于芯片散热。

电调成像波谱液晶模块13用于接收目标红外入射光，通过其内的多级次高反射干涉相干提取红外入射光中的谱红外光，并传送到面阵非制冷红外探测器11。

面阵非制冷红外探测器11用于对谱红外光进行光电转换，以生成电响应信号，

驱控与图像预处理模块10用于对电响应信号进行量化、配准和校正，以获得谱红外图像数据并输出，还用于为电调成像波谱液晶模块13、以及面阵非制冷红外探测器11提供驱动和调控信号。在本实施方式中，驱控与图像预处理模块10是基于SoC和FPGA结构。

电调成像波谱液晶模块13还用于根据调控信号改变其液晶材料的折射率，以改变红外入射光中的谱红外光的波长。

陶瓷外壳17的侧面还设置有第四指示灯2，其与驱控与图像预处理模块10电连接，用于显示红外光电响应数据处在正常的输出状态。

陶瓷外壳17的侧面还设置有通讯端口3，用于与外部电子装置连接以接收指令，用于输出电调成像波谱液晶模块13和面阵非制冷红外探测器11的工作参数，以及红外图像数据。

陶瓷外壳17的侧面还设置有第一指示灯1，其与驱控与图像预处理模块10电连接，用于显示通讯端口3处在正常工作状态。

陶瓷外壳17的侧面还设置有第二指示灯5，其与驱控与图像预处理模块10电连接，用于显示驱控与图像预处理模块10处在正常工作状态。

陶瓷外壳的侧面还设置有第三指示灯6，其与驱控与图像预处理模块10电连接，用于显示面阵非制冷红外探测器11处在正常工作状态。

陶瓷外壳17的侧面还设置有第五指示灯7，其与所属驱控与图像预处理模块10电连接，用于显示电调成像波谱液晶模块13处在正常工作状态。

陶瓷外壳17的侧面还设置有驱控信号输出端口8，其与探测器驱控信号输入端口9以及液晶驱控信号输入端口12电连接，用于从驱控与图像预处理模块10输出面阵非制冷红外探测器11以及电调成像波谱液晶模块13的驱动和调控信号。

陶瓷外壳17的侧面还设置有探测器驱控信号输入端口9，其与驱控信号输出端口8电连接，用于输入面阵非制冷红外探测器11的驱动和调控信号。

陶瓷外壳17的侧面还设置有液晶驱控信号输入端口12，其与驱控信号输出端口8电连接，用于输入电调成像波谱液晶模块13的驱动和调控信号。

陶瓷外壳17的底面还设置有第六指示灯14，其与驱控与图像预处理模块10电连接，用于显示电源已接通。

陶瓷外壳17的底面还设置有电源端口15，用于接入电源线以与外部电源连接。

以下参考图2描述本发明的工作原理：

如图所示，电调成像波谱液晶模块、面阵非制冷红外探测器、以及驱控与图像预处理模块这三者被混合集成，构成芯片中的电调谱红外成像探测架构。通过置于红外光学系统焦面处的该探测架构，红外入射光进入电调成像波谱液晶模块后，与受控电场激励下形成的具有特定折射率的液晶分子相作用，基于FP效应的谱红外光波通过在液晶模块内的多级次高反射干涉相干被提取出来，并后送至与电调成像波谱液晶模块混合集成的面阵非制冷红外探测器上，进一步完成光电转换操作。液晶FP结构的驱控电压信号幅度（表征为V_RMS），一一对应于封装在电极板间的微米级厚度液晶材料其分子的空间排布状态，该排布状态又决定了液晶材料的光学折射率，或者透过电调成像波谱液晶模块的谱透射红外光波的波长。通过驱控与图像预处理模块对红外光电响应信号数字化、配准以及校正后，得到红外图像数据并通过输出端口送出。

电调成像波谱液晶模块对其出射红外光波所具有的波谱选择与调变能力，由加载在液晶FP结构上的电压信号调控，其频率一般在KHz级，以V_RMS计量的信号电压幅度一般在几伏至几十伏这一范围内。断电后的液晶FP结构，将失去控谱能力。依据特定的电压信号加载策略，可在先验知识、特定场景情况或图像处理结果的参与、约束或引导下，执行受控的谱成像探测操作。

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8、探测器驱控信号输入端口9、以及液晶驱控信号输入端口12；用并行数据线连接通讯端口3以及图像数据输出端口4；电源线连接到电源端口16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5、第三指示灯6、第四指示灯2、第五指示灯7、第六指示灯14接通闪烁，自检通过后第一指示灯1、第二指示灯5、第三指示灯6、第四指示灯2以及第五指示灯7熄灭，芯片进入工作状态。通过并行通讯线送入工作指令后，芯片开始进行谱红外成像探测操作，此时第一指示灯1、第二指示灯5、以及第三指示灯6再次接通闪烁。红外光电响应信号由图像数据输出端口4通过通讯端口3送入驱控与图像预处理模块，此时第四指示灯10、以及第一指示灯1再次接通闪烁。经驱控与图像预处理模块10处理后的红外图像数据，由通讯端口3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 (2)

1.一种液晶基电调成像波谱面阵红外探测芯片，其特征在于，

包括陶瓷外壳、谱红外成像探测架构以及金属散热板；

所述谱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、以及电调成像波谱液晶模块，三者同轴顺序设置；

所述金属散热板设置在所述陶瓷外壳后部，并与其固联用于芯片散热；

所述电调成像波谱液晶模块用于接收目标红外入射光，通过其内的多级次高反射干涉相干提取所述红外入射光中的谱红外光，并传送到所述面阵非制冷红外探测器；

所述面阵非制冷红外探测器用于对所述谱红外光进行光电转换，以生成电响应信号；

所述驱控与图像预处理模块用于对所述电响应信号进行量化、配准和校正，以获得谱红外图像数据并输出；

所述驱控与图像预处理模块是基于SoC和FPGA结构，用于为所述电调成像波谱液晶模块、以及所述面阵非制冷红外探测器提供驱动和调控信号；

所述电调成像波谱液晶模块还用于根据所述调控信号改变其液晶材料的折射率，以改变所述红外入射光中的谱红外光的波长。

2.根据权利要求1所述的液晶基电调成像波谱面阵红外探测芯片，其特征在于，

所述陶瓷外壳的底面还设置有第六指示灯，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；

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。

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