CN103512667B - 一种红外透视成像探测芯片 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种红外透视成像探测芯片，包括：陶瓷外壳、金属支撑与散热板、驱控和透视图像预处理模块、面阵非制冷红外探测器、以及面阵红外折射微透镜，驱控和透视图像预处理模块、面阵非制冷红外探测器、以及面阵红外折射微透镜同轴顺序设置于陶瓷外壳内，陶瓷外壳后部设置于金属支撑与散热板顶部，驱控和透视图像预处理模块设置于陶瓷外壳后部与金属支撑与散热板连接处，面阵非制冷红外探测器设置于驱控和透视图像预处理模块顶部，面阵红外折射微透镜设置于面阵非制冷红外探测器顶部。本发明结构紧凑，且具有基于红外波束方向辨识对红外目标进行单芯片透视成像探测、测量精度高、易与常规红外光学系统兼容或耦合、目标和环境适应性好的特点。

Description

一种红外透视成像探测芯片

技术领域

本发明属于红外成像探测技术领域，更具体地，涉及一种红外透视成像探测芯片。

背景技术

近些年来，大面阵红外焦平面成像探测技术持续快速发展。迄今为止，红外光敏芯片的阵列规模已增至百万级，并且仍在快速增大。具有高光电灵敏度的红外光敏元的最小结构尺寸，目前已缩至数十纳米程度。超大面阵红外量子光敏结构，如典型的量子线或量子点阵列等，正酝酿着新的突破。芯片式的红外光电探测和图像信息处理一体化架构，已突破关键性的技术瓶颈。另外，基于可辨识波束方向的红外成像探测技术，目前也受到了广泛关注。进入新世纪以来，随着研究和应用领域的不断扩展和深化，目标和环境情况在日趋复杂，红外干扰、对抗和隐身措施也在不断增强，对红外焦平面成像探测技术提出了更高要求。在进一步高效探测、获取、识别及处理匿迹于复杂背景环境中的图像目标这一方面，正在寻求新的突破。

通常情况下，目标的红外出射波束具有多方向性，它以发散波矢形态分布在一个渐次增大的空域内。呈现在成像系统视场中的是目标向多个方向发射和传播电磁波束所形成的矢量光场。常规红外成像装置通过光学系统，将视场中的多方向目标波束不加区别地集中收集、压缩并投送到光敏阵列上，经阵列化光电转换得到多方向入射波束共同作用下的电子目标图像。一般而言，在复杂背景环境中，目标的红外辐射光波在穿透环境介质后会因损耗降低其辐射强度，导致红外成像探测架构降低其光电响应的信噪比和信杂比，甚至极端情况下因透射强度过低或被完全遮挡而无法执行光电转换操作，即不具备透视成像能力。为了基于透视成像目的来捕获目标的多方向辐射波束，目前的常规做法是：在较大空域内离散排布多台套成像设备获取单向遮蔽的红外目标图像。存在成像装置的体积和功耗大，成本高，成像效能低，目标和环境适应性差等缺陷。

就环境介质而言，其对红外光波的遮挡作用，通常仅能波及有限的波束方向，难以覆盖所有方向上的目标波束。通过将红外探测器阵列与微透镜阵列匹配耦合甚至集成，基于微透镜的红外光束的定向聚焦作用，捕获某一/些/特定传播方向上的，未被环境介质完全或充分遮挡的红外光束。即使红外目标相对成像装置在主要传播途径上的光线被阻隔，仍可以获得在其它特定传播方向上所递送的红外目标图像信息，实现透视成像。一般而言，宏观目标的红外出射波束在时空域中的分布具有连续性。通过合理插值，所获取的电子透视图像可被适度扩展或增强。目标的红外透视图像将具有电子像质改善或优化，以及更为丰富和细腻等潜质。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种红外透视成像探测芯片，其目的在于实现红外透视成像探测，并具备测量精度高、目标和环境适应性好、体积和质量小、易与其它常规红外光学/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，提供了一种红外透视成像探测芯片，包括：陶瓷外壳、金属支撑与散热板、驱控和透视图像预处理模块、面阵非制冷红外探测器、以及面阵红外折射微透镜，驱控和透视图像预处理模块、面阵非制冷红外探测器、以及面阵红外折射微透镜同轴顺序设置于陶瓷外壳内，陶瓷外壳后部设置于金属支撑与散热板顶部，驱控和透视图像预处理模块设置于陶瓷外壳后部与金属支撑与散热板连接处，面阵非制冷红外探测器设置于驱控和透视图像预处理模块顶部，面阵红外折射微透镜设置于面阵非制冷红外探测器顶部，并通过陶瓷外壳面部开孔将其光入射面裸露出来，面阵红外折射微透镜包括M×N个单元微透镜，其中M和N均为正整数，面阵非制冷红外探测器被划分为M×N个子面阵非制冷红外探测器，该子面阵非制冷红外探测器的数量与面阵红外折射微透镜中微透镜的数量相同，每个子面阵非制冷红外探测器包括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非制冷红外探测器上，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非制冷红外探测器中相同位置处的光敏元上，面阵红外折射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，驱控和透视图像预处理模块用于为面阵非制冷红外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透视图像预处理模块，驱控和透视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，驱控和透视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，用于输出驱控和透视图像预处理模块提供给面阵非制冷红外探测器的驱动和调控信号，陶瓷外壳的侧面设置有第一指示灯，该灯接通用于显示驱控和透视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，用于输入面阵非制冷红外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非制冷红外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红外折射微透镜处在正常工作状态。

优选地，陶瓷外壳的底面设置有红外光电响应信号输入和红外图像数据输出端口，用于输出面阵非制冷红外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，用于显示面阵非制冷红外探测器处在正常的信号输出状态，陶瓷外壳的底面设置有红外光电响应信号输出端口，用于将面阵非制冷红外探测器的光电输出信号引入驱控和透视图像预处理模块，陶瓷外壳的底面设置有第四指示灯，用于显示驱控和透视图像预处理模块处在正常的数据输入状态，陶瓷外壳的底面设置有红外光电响应信号输入和红外图像数据输出端口，用于将面阵非制冷红外探测器的光电响应信号输入驱控和透视图像预处理模块，并将序列红外图像数据从驱控和透视图像预处理模块输出。

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五指示灯，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、目标的单芯片透视成像探测，由于通过耦合面阵折射微透镜与阵列规模更大的面阵红外探测器，实现基于红外波束传播方向辨识的成像探测操作，所以本发明具有基于单片功能化的红外探测器阵列透视探测红外图像目标的优点；

2、测量精度高，由于本发明采用面阵折射微透镜和面阵非制冷红外探测器，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、目标适应性好，由于本发明采用了基于波束传播方向的单芯片辨识成像探测技术，可成像探测匿迹于复杂背景环境中的红外目标，所以本发明具有目标适应性好的优点；

4、环境适应性好，由于本发明采用了基于热效应的非制冷红外探测器，以及具有固定形貌的折射微透镜，测量谱段较宽，工作在常规的室温环境，所以本发明具有环境适应性好的优点。

5、使用方便，由于本发明采用了面阵红外折射微透镜、面阵非制冷红外探测器、以及驱控和透视图像预处理模块这样的体系架构，所以本发明具有接插方便，易与红外光学系统、其它电子学和机械装置匹配耦合的优点。

附图说明

图1是本发明的红外透视成像探测芯片的结构示意图。

图2是本发明的红外透视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-驱控和透视图像预处理模块，4-探测器驱控信号输入端口，5-第二指示灯，6-面阵非制冷红外探测器，7-面阵红外折射微透镜，8-第三指示灯，9-红外光电响应信号输出端口，10-第四指示灯，11-红外光电响应信号输入和红外图像数据输出端口，12-电源端口，13-陶瓷外壳，14-金属支撑与散热板，15-第五指示灯。

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，本发明的红外透视成像探测芯片包括：陶瓷外壳13、金属支撑与散热板14、驱控和透视图像预处理模块3、面阵非制冷红外探测器6、以及面阵红外折射微透镜7。

驱控和透视图像预处理模块3、面阵非制冷红外探测器6、以及面阵红外折射微透镜7同轴顺序设置于陶瓷外壳13内。

陶瓷外壳13后部设置于金属支撑与散热板14顶部。

驱控和透视图像预处理模块3设置于陶瓷外壳13后部与金属支撑与散热板14连接处。

面阵非制冷红外探测器6设置于驱控和透视图像预处理模块3顶部。

面阵红外折射微透镜7设置于面阵非制冷红外探测器6顶部，并通过陶瓷外壳13面部开孔(未示出)将其光入射面裸露出来。

面阵红外折射微透镜7包括M×N个单元微透镜，其中M和N均为正整数。

面阵非制冷红外探测器6被划分为M×N个子面阵非制冷红外探测器，该子面阵非制冷红外探测器的数量与面阵红外折射微透镜7中微透镜的数量相同，每个子面阵非制冷红外探测器包括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非制冷红外探测器上，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非制冷红外探测器中相同位置处的光敏元上。

面阵红外折射微透镜7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。

驱控和透视图像预处理模块3用于为面阵非制冷红外探测器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透视图像预处理模块3。

驱控和透视图像预处理模块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13的侧面设置有驱控信号输出端口1，用于输出驱控和透视图像预处理模块3提供给面阵非制冷红外探测器6的驱动和调控信号。

陶瓷外壳13的侧面设置有第一指示灯2，该灯接通用于显示驱控和透视图像预处理模块3处在正常工作状态。

陶瓷外壳13的侧面设置有探测器驱控信号输入端口4，用于输入面阵非制冷红外探测器6的驱动和调控信号。

陶瓷外壳13的侧面设置有第二指示灯5，该灯接通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13的侧面设置有第三指示灯8，该灯接通用于显示面阵红外折射微透镜7处在正常工作状态。

陶瓷外壳13的底面设置有红外光电响应信号输入和红外图像数据输出端口9，用于输出面阵非制冷红外探测器6的光电响应信号。

陶瓷外壳13的底面设置有第四指示灯8，用于显示面阵非制冷红外探测器6处在正常的信号输出状态。

陶瓷外壳13的底面设置有红外光电响应信号输出端口9，用于将面阵非制冷红外探测器6的光电输出信号，引入驱控和透视图像预处理模块3。

陶瓷外壳13的底面设置有第四指示灯10，用于显示驱控和透视图像预处理模块3处在正常的数据输入状态。

陶瓷外壳13的底面设置有红外光电响应信号输入和红外图像数据输出端口11，用于将面阵非制冷红外探测器6的光电响应信号，输入驱控和透视图像预处理模块3，并将序列红外图像数据从驱控和透视图像预处理模块3输出；

陶瓷外壳13的侧面设置有电源端口12，用于接入电源线以与外部电源连接。

陶瓷外壳13的侧面设置有第五指示灯15，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：

面阵非制冷红外探测器与阵列规模比现有红外探测器降低了的面阵红外折射微透镜混合集成，构成芯片中的红外透视成像探测架构。面阵红外折射微透镜与面阵非制冷红外探测器的组合方式为：在所设定的阵列规模或空间分辨率模式下，每单元红外折射微透镜分别与多元非制冷红外探测器，如2×2元、4×4元、8×8元甚至阵列规模更大的非制冷红外探测器对应(匹配耦合)。对单元红外折射微透镜而言，未被环境介质遮挡的特定传播方向上的红外波束，被该红外折射微透镜定向聚焦在与其对应的子面阵非制冷红外探测器中的一个特定光敏元上。聚焦光斑由置于该处的子面阵全色成像探测器转换成光电响应信号。

通过将各子面阵红外探测器中的相应光敏元的光电响应信号加以预处理，将特定传播方向上的红外波束离散配置到所指定的阵列化空域，完成以探测器坐标表征的基于波束传播方向的红外成像探测以及图像信息构建，得到目标在特定传播方向上的红外波束所传递的一/多幅透视图像数据。

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；用并行数据线连接红外光电响应信号输出端口9，以及红外光电响应信号输入和红外图像数据输出端口11；电源线连接到电源端口12上。然后通过并行通讯线(同时接入端口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接通闪烁。自检通过后第三指示灯8，以及第四指示灯10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。光电响应信号由红外光电响应信号输出端口9、以及红外光电响应信号输入和红外图像数据输出端口11，送入驱控和透视图像预处理模块3，此时第四指示灯8、以及第五指示灯10再次接通闪烁。经驱控和透视图像预处理模块3处理后的序列红外图像数据，由红外光电响应信号输入和红外图像数据输出端口11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 (5)

1.一种红外透视成像探测芯片，包括：陶瓷外壳、金属支撑与散热板、驱控和透视图像预处理模块、面阵非制冷红外探测器、以及面阵红外折射微透镜，其特征在于，

驱控和透视图像预处理模块、面阵非制冷红外探测器、以及面阵红外折射微透镜同轴顺序设置于陶瓷外壳内；

陶瓷外壳后部设置于金属支撑与散热板顶部；

驱控和透视图像预处理模块设置于陶瓷外壳后部与金属支撑与散热板连接处；

面阵非制冷红外探测器设置于驱控和透视图像预处理模块顶部；

面阵红外折射微透镜设置于面阵非制冷红外探测器顶部，并通过陶瓷外壳面部开孔将其光入射面裸露出来；

面阵红外折射微透镜包括M×N个单元微透镜，其中M和N均为正整数；

面阵非制冷红外探测器被划分为M×N个子面阵非制冷红外探测器，该子面阵非制冷红外探测器的数量与面阵红外折射微透镜中微透镜的数量相同；

每个子面阵非制冷红外探测器包括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非制冷红外探测器上，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非制冷红外探测器中相同位置处的光敏元上；

面阵红外折射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非制冷红外探测器中不同子面阵非制冷红外探测器的对应光敏元上；

驱控和透视图像预处理模块用于为面阵非制冷红外探测器提供驱动和 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透视图像预处理模块；

驱控和透视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；

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；用并行数据线连接红外光电响应信号输出端口，以及红外光电响应信号输入和红外图像数据输出端口；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、第五指示灯接通闪烁；自检通过后第三指示灯，以及第四指示灯熄灭，芯片进入工作状态。

2.根据权利要求1所述的红外透视成像探测芯片，其特征在于，驱控和透视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。

3.根据权利要求1所述的红外透视成像探测芯片，其特征在于，

陶瓷外壳的侧面设置有驱控信号输出端口，用于输出驱控和透视图像预处理模块提供给面阵非制冷红外探测器的驱动和调控信号；

陶瓷外壳的侧面设置有第一指示灯，该灯接通用于显示驱控和透视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，用于输入面阵非制冷红外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非制冷红外探测器处在正常工作状态；

陶瓷外壳的底面设置有第三指示灯，该灯接通用于显示面阵红外折射微透镜处在正常工作状态。

4.根据权利要求1所述的红外透视成像探测芯片，其特征在于，

陶瓷外壳的底面设置有红外光电响应信号输入和红外图像数据输出端 口，用于输出面阵非制冷红外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，用于显示面阵非制冷红外探测器处在正常的信号输出状态；

陶瓷外壳的底面设置有红外光电响应信号输出端口，用于将面阵非制冷红外探测器的光电响应信号引入驱控和透视图像预处理模块；

陶瓷外壳的底面设置有第四指示灯，用于显示驱控和透视图像预处理模块处在正常的数据输入状态；

陶瓷外壳的底面设置有红外光电响应信号输入和红外图像数据输出端口，用于将面阵非制冷红外探测器的光电响应信号输入驱控和透视图像预处理模块，并将序列红外图像数据从驱控和透视图像预处理模块输出。

5.根据权利要求1所述的红外透视成像探测芯片，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；

陶瓷外壳的侧面设置有第五指示灯，用于显示电源已接通。