CN103512668B - 一种红外图像与波前双模一体化成像探测芯片 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种红外图像与波前双模一体化成像探测芯片，包括：陶瓷外壳、金属支撑与散热板、驱控与预处理模块、面阵非制冷红外探测器、以及面阵红外折射微透镜，驱控与预处理模块、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，驱控与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与预处理模块顶部，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。本发明结构紧凑，使用方便，易与常规红外光学系统兼容或耦合，目标和环境适应性好。

Description

一种红外图像与波前双模一体化成像探测芯片

技术领域

本发明属于红外成像探测技术领域，更具体地，涉及一种红外图像与波前双模一体化成像探测芯片。

背景技术

一般而言，自然和人造光源所出射的光波，构成了目标所依存的背景电磁福射环境。大气流场常在密度、温度、压力和组份等方面产生不稳定的或非平衡的变化。气体分子的特殊物理化学行为如电离效应等，又助推其介电属性的失稳甚至随机改变，使流场的光学折射率呈现复杂的时变或空变特征，从而对目标光波在大气中的传输产生程度不同的干扰甚至抑制。表现为与目标形貌特征密切相关的出射波束其能流在时空域中呈现复杂的弥散、聚集或涨落，以及相应的波前形态的无规改变等典型情形。人类活动以及雨雪等自然行为，也常驱使传输光波产生类似变化，并最终通过成像探测被植入电子目标图像中使像质降低。换言之，光波前的演化、畸变甚至杂化等，也直接反映了光场能流形态背离其本征传输情形这一属性。因此，受能流分布驱动和约束的电子目标图像，与目标波前在传输过程中的形貌结构变动，存在因果或递推性关联。通过分析与图像信息密切相关的波前，即使不改变光电阵列的性能指标，也可以在波前信息的参与或引导下，使成像探测效能得到增强。目前，红外成像探测技术的发展方向之一就是基于波前来调控波束的能流分布，从而使成像探测具备目标和环境适应能力，实现波前与图像相关联的双模红外成像探测。

迄今为止，已发展了多种通过测量甚至调变波前，对目标波束其能流形态在传输途径中所引入的非本征改变进行修正，从而提升像质和成像探测效能并提高抗干扰和环境适应能力的技术方法。主要实现途径包括：(一)基于Shack-Hartmann(SH)效应的小/微型化波前探测；(二)基于波前测量获得与目标图像紧密相关的关键性物理指标如点扩散函数，并用于像质提升；(三)在波前通道中进行波前测量甚至调变，从而增强能流测量通道中的成像探测能力；(四)整合或拼接波前与能流(图像)设备，基于波前与能流这样的双模测量的匹配耦合来提高成像探测效能。

如上所述的具有小/微型化特征的SH波前探测架构，目前仅能执行单一模式下的波前测量。其它具有双模特征既包括波前和图像这两个物理要素的技术途径，均需要配置必须独立完成波前和能流形态测量的两类设备或两类架构。从而带来设备配置繁杂，体积大，成本高，波前和图像的测量、匹配、平衡与反馈控制复杂，响应或调变速度低，目标和环境适应性差等问题。因此，找到简捷、高效和灵巧的技术措施，在高精度测量红外波前的同时获得高像质图像，已成为发展先进红外成像探测技术所面临的重点和难点问题，迫切需要新的突破。

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图像与波前双模一体化成像探测芯片，其目的在于实现波前和图像这两套数据的一体化获取，并具有测量精度高、目标和环境适应性好、体积和质量小、功耗低、易与其它光学/光电/机械结构耦合的特点。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种红外图像与波前双模一体化成像探测芯片，包括：陶瓷外壳、金属支撑与散热板、驱控与预处理模块、面阵非制冷红外探测器、以及面阵红外折射微透镜，驱控与预处理模块、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，驱控与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与预处理模块顶部，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个子面阵红外探测器，该子面阵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，每个子面阵红外探测器包括P×Q个光敏元，其中P和Q均为正整数，面阵红外折射微透镜用于接收来自目标的红外光波，并将该红外光波离散汇聚到面阵非制冷红外探测器中不同子面阵红外探测器的特定光敏元上，驱控和红外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红外图像预处理模块，驱控和红外图像预处理模块还用于对电信号进行预处理，以生成图像和波前数据，并将该图像和波前数据输出。

优选地，驱控和红外图像预处理模块对电信号进行图像生成目的的预处理采用的是非均匀性校正方法。

优选地，驱控和红外图像预处理模块对电信号进行波前生成目的的预处理采用的是子平面波前倾角与焦斑位置对应法。

优选地，陶瓷外壳的侧面设置有驱控信号输出端口，用于输出驱控和红外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驱控信号输出端口，用于输出驱控与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与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。

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与波前数据输出端口，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与预处理模块，陶瓷外壳的底面设置有第四指示灯，用于显示驱控与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与波前数据输出端口，用于将面阵非制冷红外探测器的光电响应信号输入驱控与预处理模块，以及将序列红外图像与波前数据从驱控与预处理模块输出。

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、目标的图像和波前单芯片一体化探测，由于通过耦合面阵折射液晶微透镜与阵列规模更大的面阵红外探测器，实现基于离散分布的子平面波前的聚焦、光电转换、生成图像和波前数据的信号处理，所以本发明具有基于单片功能化的红外光敏阵列一体化探测红外目标图像和波前的优点；

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，由于本发明基于单光敏芯片对目标的出射波前和图像数据进行快速探测，既适用于稳态、缓变或固定目标，又适用于运动和变化目标的优点。

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，测量谱段宽，工作在室温环境，所以本发明具有环境适应性好的优点。

5、使用方便，由于本发明采用了集成面阵红外折射微透镜、面阵非制冷红外探测器、以及驱控与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是本发明的红外图像与波前双模一体化成像探测芯片的结构示意图。

图2是本发明的红外图像与波前双模一体化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-驱控与预处理模块，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与波前数据输出端口，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，本发明红外图像与波前双模一体化成像探测芯片包括：陶瓷外壳13、金属支撑与散热板14、驱控与预处理模块3、面阵非制冷红外探测器6、以及面阵红外折射微透镜7。

驱控与预处理模块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。

驱控与预处理模块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设置于驱控与预处理模块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个子面阵红外探测器，该子面阵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。每个子面阵红外探测器包括P×Q个光敏元，其中P和Q均为正整数。

面阵红外折射微透镜7用于接收来自目标的红外光波，并将该红外光波离散汇聚到面阵非制冷红外探测器6中不同子面阵红外探测器的特定光敏元上。

驱控和红外图像预处理模块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红外图像预处理模块3。

驱控和红外图像预处理模块3还用于对电信号进行预处理，以生成图像和波前数据，并将该图像和波前数据输出。具体而言，对电信号进行图像生成目的的预处理采用的是非均匀性校正方法，对电信号进行波前生成目的的预处理采用的是子平面波前倾角与焦斑位置对应法，。

陶瓷外壳13的侧面设置有驱控信号输出端口1，用于输出驱控和红外图像预处理模块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的侧面设置有驱控信号输出端口1，用于输出驱控与预处理模块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与预处理模块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的底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与波前数据输出端口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10，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的光电响应信号，引入驱控与预处理模块3。

陶瓷外壳13的底面设置有第四指示灯10，用于显示驱控与预处理模块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与波前数据输出端口11，用于将面阵非制冷红外探测器6的光电响应信号，输入驱控与预处理模块3，以及将序列红外图像与波前数据从驱控与预处理模块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：

如图所示，面阵非制冷红外成像探测器与阵列规模较红外器件已降低的红外折射微透镜阵列混合集成，构成芯片中的红外图像与波前双模一体化成像探测架构。微透镜与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，每单元折射微透镜分别与多元探测器，如2×2元、4×4元、8×8元甚至阵列规模更大的子探测器阵列对应。对单元折射微透镜而言，红外入射波前被微透镜阵列离散化后所形成的，倾角各异的子平面波前，被其所覆盖的单元微透镜定向聚焦在与该元微透镜对应的子面阵探测器的特定光敏元上。聚焦光斑由置于该处的红外光敏元转换成光电响应信号。通过多元折射微透镜的阵列化光汇聚作用，形成与目标出射光波对应的，能态各异的焦斑分布形态，见下右子图所示。

子面阵探测器中的红外光敏元的光电响应信号，经驱控与预处理模块处理后首先形成电子目标图像数据并输出；另外，基于子面阵红外探测器的几何中心(参考基点)，以正入射子平面波前的汇聚焦斑其光电响应信号为基准，通过解算偏离参考基准的倾斜子平面波前其聚焦光斑的光电响应信号的偏移程度，得到子平面倾斜波前相对正入射子平面波前的倾角。再经角参数平衡和配准，反演出入射波前数据并输出。在上述光学/光电探测体制下，由于每单元红外折射微透镜将投射到其表面的入射波束，汇聚到与其耦合的子面阵探测器的特定光敏元上，目标的成像分辨率由所采用的红外折射微透镜的阵列规模决定。目标所出射的红外波束其波前的测量精度和可变动程度，则由每单元红外折射微透镜所耦合的子面阵探测器的规模和红外光敏元的结构尺寸决定。一般而言，子面阵红外探测器的阵列规模越大，红外光敏元的结构尺寸越小，波前的测量精度越高，可测量的波前的变动范围越大。换言之，从芯片输出端口将输出两套数据，其一是经过常规红外光电响应信号处理流程所形成的电子目标图像数据(由焦斑分布演化而来)，其二是解算特定架构下的红外光电响应信号所反演形成的波前数据。

针对能量弱目标，可将混合集成红外成像探测芯片置于主光学系统既主镜的焦面处，见上右子图所示。针对强福射目标，可直接使用混合集成红外双模成像探测芯片捕获目标的波前和图像，见下左子图所示。

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与波前数据输出端口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与波前数据输出端口11，送入驱控与预处理模块3，此时第四指示灯10、以及第五指示灯15再次接通闪烁。经驱控与预处理模块3处理后的红外图像与波前数据，由红外光电响应信号输入和红外图像与波前数据输出端口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 (3)

1.一种红外图像与波前双模一体化成像探测芯片，包括：陶瓷外壳、金属支撑与散热板、驱控与预处理模块、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，

驱控与预处理模块、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；

驱控与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与预处理模块顶部；

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个子面阵红外探测器，该子面阵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；

每个子面阵红外探测器包括P×Q个光敏元，其中P和Q均为正整数；

面阵红外折射微透镜用于接收来自目标的红外光波，并将该红外光波离散汇聚到面阵非制冷红外探测器中不同子面阵红外探测器的特定光敏元上；

驱控与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与预处理模块；

驱控与预处理模块还用于对电信号进行预处理，以生成图像和波前数据，并将该图像和波前数据输出；

陶瓷外壳的侧面设置有驱控信号输出端口，用于输出驱控与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与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；

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与波前数据输出端口，用于将面阵非制冷红外探测器的光电响应信号输入驱控与预处理模块，以及将序列红外图像与波前数据从驱控与预处理模块输出；

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与预处理模块；

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

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；

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与波前数据输出端口；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，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、以及红外光电响应信号输入和红外图像与波前数据输出端口，送入驱控与预处理模块，此时第四指示灯、以及第五指示灯再次接通闪烁，经驱控与预处理模块处理后的红外图像与波前数据，由红外光电响应信号输入和红外图像与波前数据输出端口输出。

2.根据权利要求1所述的红外图像与波前双模一体化成像探测芯片，其特征在于，驱控与预处理模块对电信号进行图像生成目的的预处理采用的是非均匀性校正方法。

3.根据权利要求1所述的红外图像与波前双模一体化成像探测芯片，其特征在于，驱控与预处理模块对电信号进行波前生成目的的预处理采用的是子平面波前倾角与焦斑位置对应法。