CN103542939A - 一种可寻址电调成像波谱红外探测芯片 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可寻址电调成像波谱红外探测芯片，包括电调成像波谱液晶模块、面阵非制冷红外探测器和驱控预处理模块；电调成像波谱液晶模块包括多个阵列分布的电调成像波谱液晶结构单元，用于使目标波束发生多级次高反射干涉相干，通过独立调节加载在各电调成像波谱液晶结构单元上的电压信号，调变透过各电调成像波谱液晶结构单元的谱红外光波的波长；面阵非制冷红外探测器用于将透过电调成像波谱液晶模块的谱红外光波转换成电信号；驱控预处理模块用于将光电信号进行量化、配准和非均匀性校正，得到目标红外图像数据。该芯片可实现可寻址的快速谱检录、谱搜索、谱凝视、谱跟踪或谱锁定，易与其它光学、光电和机械结构耦合，环境适应性好。

Description

一种可寻址电调成像波谱红外探测芯片

技术领域

本发明属于红外成像探测技术领域，更具体地，涉及一种可寻址电调成像波谱红外探测芯片。

背景技术

通常情况下，自然界中的物质结构均具有可标记的指纹性电磁辐射能谱形态，常以纳米/皮米级谱宽的光频电磁辐射形式呈现出来，出现在成像系统视场中的是本征谱辐射特征各异的目标与景物。基于谱福射特征相对稳定这一属性捕捉复杂背景环境中的局域目标，通过光学硬件将目标直观地凸显出来，将有效降低信息处理量，节省电子资源，显著提升目标的电子图像构建、信息处理和系统应对速度。目前已广泛应用的谱成像措施包括：（一）通过能谱测量解算宽谱图像，得到静态或前一缓变时段的序列谱图像；（二）基于谱波束变换得到目标的静态或缓变时序谱图像；（三）通过级联滤波或多级次相干干涉得到目标的序列谱图像；（四）通过配置多台套并行工作的谱成像装置，得到谱空变或时序谱图像；（五）通过衍射分光实现波谱数量有限的谱并行成像等。进入新世纪以来，基于光子或热效应的大面阵宽谱红外成像探测技术持续快速发展，微/纳光学与红外光敏结构的匹配耦合技术也在日趋成熟。研发具备谱时序、谱空变、谱凝视、谱跳转、快速谱扫描或谱检录等功能，成本相对低廉的小/微型化谱成像探测技术，已成为发展先进红外成像技术的一个主要分支，受到广泛关注和重视。

目前的谱红外成像探测技术其缺陷主要表现在以下方面：需配置复杂精密的饲服、驱动或扫描机构，谱分光成像装置的体积和质量大，波谱切换依特定秩序展开，响应慢且耗时长，不适用于波谱成分丰富的高速运动载荷或目标，难以执行局域视场的受控谱切入与谱调变，难以并行执行全视场中的局域谱凝视、谱扫描或谱变更，难以对局域视场进行快速谱检录、谱搜索、谱跟踪或谱锁定，难以对成像视场执行任意的空间谱分割与谱整合等。

近几年来，基于电控法布里泊罗（Fabry-Perot或简写为FP）干涉滤波效应的芯片级电调液晶谱成像探测技术，基于关键性的电控液晶波谱结构及其与光敏器件集成方面所取得的进展，已成为解决上述问题的一个突破口。目前已具备的主要功能包括：（一）可在液晶结构上施加所选定的电驱控信号，成像探测可在任意波谱处展开、凝固或调变；（二）具有时序多色性，即依时间顺序输出谱图像；（三）基于时序谱扫描的单谱、多谱复合；（四）谱操作受先验知识或图像处理结果的约束、干预或引导。尽管如此，尚缺乏空间谱并行这样的成像探测能力，即成像波谱不能随成像空域调变。因此，如何基于小/微型化的电控液晶FP谱成像技术，实现成像视场的可寻址灵巧谱红外成像探测，已成为推进红外谱成像探测技术继续发展所面对的难点问题，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，本发明提供了一种可寻址电调成像波谱红外探测芯片，可实现可寻址的快速谱检录、谱搜索、谱凝视、谱跟踪、谱跳转或谱锁定，易与其它光学/光电/机械结构耦合，环境适应性好。

为实现上述目的，本发明提供了一种可寻址电调成像波谱红外探测芯片，其特征在于，包括电调成像波谱液晶模块、面阵非制冷红外探测器和驱控预处理模块；其中，所述面阵非制冷红外探测器被划分成多个阵列分布的子面阵非制冷红外探测器，每个子面阵非制冷红外探测器包括数量和排布方式相同的多个阵列分布的光敏元；所述电调成像波谱液晶模块与所述面阵非制冷红外探测器匹配耦合，包括多个阵列分布的电调成像波谱液晶结构单元，电调成像波谱液晶结构单元与子面阵非制冷红外探测器一一对应；所述电调成像波谱液晶模块用于使目标波束发生多级次高反射干涉相干，通过独立调节加载在各电调成像波谱液晶结构单元上的电压信号，调变透过各电调成像波谱液晶结构单元的谱红外光波的波长；所述面阵非制冷红外探测器用于将透过所述电调成像波谱液晶模块的谱红外光波转换成电信号；所述驱控预处理模块用于将光电信号进行量化、配准和非均匀性校正，得到目标红外图像数据。

优选地，所述电调成像波谱液晶模块和所述面阵非制冷红外探测器均为m×n元，其中，m、n均为大于1的整数。

优选地，所述子面阵非制冷红外探测器为p×q元，其中，p、q均为大于1的整数。

优选地，所述驱控预处理模块采用SoC和FPGA结合的结构。

优选地，所述驱控预处理模块还用于为所述电调成像波谱液晶模块和所述面阵非制冷红外探测器提供驱动和调控信号，驱动所述电调成像波谱液晶模块和所述面阵非制冷红外探测器工作，并对施加在各电调成像波谱液晶结构单元上的电压信号进行调控。

优选地，还包括陶瓷外壳和金属支撑散热板；其中，所述陶瓷外壳位于所述金属支撑散热板的上方，所述金属支撑散热板与所述陶瓷外壳固联，用于支撑和散热，所述驱控预处理模块、所述面阵非制冷红外探测器和所述电调成像波谱液晶模块同轴顺序置于所述陶瓷外壳内，其中，所述面阵非制冷红外探测器位于所述驱控预处理模块的上方，所述电调成像波谱液晶模块位于所述面阵非制冷红外探测器的上方且其光入射面通过所述陶瓷外壳的面部开孔裸露出来。

优选地，所述驱控预处理模块上设有第二端口和第二指示灯，所述面阵非制冷红外探测器上设有第三端口和第三指示灯，所述电调成像波谱液晶模块上设有第四端口和第四指示灯；所述第二端口用于从所述驱控预处理模块向所述面阵非制冷红外探测器和所述电调成像波谱液晶模块输出驱动和调控信号，还用于接收来自所述面阵非制冷红外探测器的红外光电响应信号，还用于接收外部设备向探测器输入的工作指令，所述第二指示灯用于指示所述驱控预处理模块是否处在正常的工作状态；所述第三端口用于输入所述驱控预处理模块提供给所述面阵非制冷红外探测器的驱动和调控信号，还用于从所述面阵非制冷红外探测器向所述驱控预处理模块输出红外光电响应信号，所述第三指示灯用于指示所述面阵非制冷红外探测器是否处在正常工作状态；所述第四端口用于输入所述驱控预处理模块提供给所述电调成像波谱液晶模块的驱动和调控信号，所述第四指示灯用于指示所述电调成像波谱液晶模块是否处在正常工作状态。

优选地，所述驱控预处理模块上设有第一端口和第一指示灯，所述第一端口用于接入电源线以连接外部电源，所述第一指示灯用于指示电源是否接通。

优选地，所述驱控预处理模块上设有第五端口和第五指示灯，所述第五端口用于将所述目标红外图像数据从所述驱控预处理模块输出，所述第五指示灯用于指示所述驱控预处理模块是否处在正常的数据输出状态。

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，具有以下有益效果：

1、成像视场的可寻址谱分割与谱调变。本发明基于电调成像波谱液晶模块与面阵非制冷红外探测器匹配耦合的结构，实现成像视场的谱分割与谱调变，具有时序谱成像与谱空间并行成像探测的优点。

2、谱成像方式灵活。通过对各电调成像波谱液晶结构单元独立执行加电操作，可对成像视场进行可寻址的快速谱检录，以及局域化的动态谱搜索、谱凝视、谱跟踪、谱跳转与谱锁定。

3、智能化。通过调变电调成像波谱模块的加电模式，使谱成像探测可在先验知识或图像处理结果的约束、干预或引导下展开。

4、测量精度高。由于本发明采用电调成像波谱液晶模块和大面阵非制冷红外探测器，均具有极高的性能稳定性和精度，所以本发明具有测量精度高的优点。

5、使用方便。本发明的电调成像波谱液晶模块、面阵非制冷红外探测器和驱控预处理模块集成在单个芯片上，接插方便，易与常规红外光学系统、电子和机械装置匹配耦合。

附图说明

图1是本发明实施例的可寻址电调成像波谱红外探测芯片的结构示意图；

图2是本发明实施例的可寻址电调成像波谱红外探测芯片的原理示意图。

图1中：1-第一指示灯，2-第一端口，3-第二指示灯，4-第三指示灯，5-第四指示灯，6-第二端口，7-第三端口，8-驱控预处理模块，9-面阵非制冷红外探测器，10-第四端口，11-电调成像波谱液晶模块，12-第五指示灯，13-第五端口，14-金属支撑散热板，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，本发明实施例的可寻址电调成像波谱红外探测芯片包括：陶瓷外壳15、金属支撑散热板14和可寻址电调成像波谱红外探测架构。

可寻址电调成像波谱红外探测架构位于陶瓷外壳15内，包括：驱控预处理模块8、面阵非制冷红外探测器9和电调成像波谱液晶模块11。

陶瓷外壳15位于金属支撑散热板14的上方。金属支撑散热板14与陶瓷外壳15固联，用于支撑和散热。驱控预处理模块8、面阵非制冷红外探测器9和电调成像波谱液晶模块11同轴顺序置于陶瓷外壳15内。其中，驱控预处理模块8采用SoC和FPGA结合的结构，面阵非制冷红外探测器9位于驱控预处理模块8的上方，电调成像波谱液晶模块11位于面阵非制冷红外探测器9的上方且其光入射面通过陶瓷外壳15的面部开孔裸露出来。

面阵非制冷红外探测器9被划分成多个阵列分布的子面阵非制冷红外探测器，每个子面阵非制冷红外探测器包括数量和排布方式相同的多个阵列分布的光敏元。基于封闭在微腔中的液晶材料的电控FP干涉滤波效应的电调成像波谱液晶模块11，包括多个阵列分布的电调成像波谱液晶结构单元。电调成像波谱液晶模块11与面阵非制冷红外探测器9匹配耦合，电调成像波谱液晶结构单元与子面阵非制冷红外探测器一一对应。电调成像波谱液晶模块11和面阵非制冷红外探测器9均为m×n元，其中，m、n均为大于1的整数。子面阵非制冷红外探测器为p×q元，其中，p、q均为大于1的整数，例如，子面阵非制冷红外探测器可以是32×32元、64×64元、128×128元甚至更大规模阵列。

目标红外入射光进入电调成像波谱液晶模块11后，与受控电场激励下的液晶分子作用，光程发生改变。谱红外光波在电调成像波谱液晶模块11内经过多级次高反射干涉相干后，被与电调成像波谱液晶模块11混合集成的面阵非制冷红外探测器9转换成红外光电响应信号，驱控预处理模块8将红外光电响应信号量化进行量化、配准和非均匀性校正后，得到目标红外图像数据并通过输出端口输出。对电调成像波谱液晶模块11的电调成像波谱液晶结构单元独立执行加电操作，等效于对成像视场进行与电调成像波谱液晶模块11对应的区域化分割，可对成像视场进行可寻址式的快速谱检录、谱搜索、谱凝视、谱跟踪或谱锁定。

驱控预处理模块8还用于为电调成像波谱液晶模块11和面阵非制冷红外探测器9提供驱动和调控信号，驱动电调成像波谱液晶模块11和面阵非制冷红外探测器9工作，并对施加在各电调成像波谱液晶结构单元上的电压信号进行调控。

驱控预处理模块8上设有第一端口2、第二端口6、第五端口13、第一指示灯1、第二指示灯3和第五指示灯12。其中，第一端口2用于接入电源线以连接外部电源，第二端口6用于从驱控预处理模块8向面阵非制冷红外探测器9和电调成像波谱液晶模块11输出驱动和调控信号，还用于接收来自面阵非制冷红外探测器9的红外光电响应信号，还用于接收外部设备向探测器输入的工作指令，第五端口13用于将目标红外图像数据从驱控预处理模块8输出。第一指示灯1用于指示电源是否接通，电源接通则第一指示灯1亮，否则熄灭，第二指示灯3用于指示驱控预处理模块8是否处在正常的工作状态，驱控预处理模块8处在正常的工作状态则第二指示灯3闪烁，否则熄灭，第五指示灯12用于指示驱控预处理模块8是否处在正常的数据输出状态，驱控预处理模块8处在正常的数据输出状态，则第五指示灯12闪烁，否则熄灭。

面阵非制冷红外探测器9上设有第三端口7和第三指示灯4。其中，第三端口7用于输入驱控预处理模块8提供给面阵非制冷红外探测器9的驱动和调控信号，还用于从面阵非制冷红外探测器9向驱控预处理模块8输出红外光电响应信号。第三指示灯4用于指示面阵非制冷红外探测器9是否处在正常工作状态，面阵非制冷红外探测器9处在正常工作状态，则第三指示灯4闪烁，否则熄灭。

电调成像波谱液晶模块11上设有第四端口10和第四指示灯5。其中，第四端口10用于输入驱控预处理模块8提供给电调成像波谱液晶模块11的驱动和调控信号，第四指示灯5用于指示电调成像波谱液晶模块11是否处在正常工作状态，电调成像波谱液晶模块11处在正常工作状态则第四指示灯5闪烁，否则熄灭。

上述第一端口2、第二端口6、第三端口7、第四端口10、第五端口13、第一指示灯1、第二指示灯3、第三指示灯4、第四指示灯5及第五指示灯12均通过陶瓷外壳15的面部开孔裸露在外。

下面结合图1说明本发明实施例的可寻址电调成像波谱红外探测芯片的工作过程。

首先用并行信号线将第二端口6分别连接第三端口7和第四端口10，该并行信号线同时作为与外部设备连接的通讯线，以送入开始工作和中止工作指令。用并行数据线连接第五端口13，电源线连接第一端口2。通过并行信号线从第二端口6送入电源开启指令，探测器开始自检，此时第一指示灯1、第二指示灯3、第三指示灯4、第四指示灯5和第五指示灯12接通闪烁，自检通过后，第一指示灯1亮，第二指示灯3、第三指示灯4、第四指示灯5和第五指示灯12熄灭，探测器进入工作状态。通过并行信号线从第二端口6送入开始工作指令后，探测器开始执行谱红外成像探测操作。驱控预处理模块8分别经第四端口10和第三端口7向电调成像波谱液晶模块11和面阵非制冷红外探测器9输入驱动和调控信号，面阵非制冷红外探测器9经第二端口6向驱控预处理模块8输入红外光电响应信号，此时第二指示灯3、第三指示灯4和第四指示灯5再次接通闪烁。红外光电响应信号经驱控预处理模块8处理后得到的红外图像数据由第五端口13输出。

为使本领域技术人员更好地理解本发明，下面详细介绍本发明的可寻址电调成像波谱红外探测芯片的工作原理。

电调成像波谱液晶模块、面阵非制冷红外探测器和驱控预处理模块混合集成，构成可寻址电调成像波谱红外探测架构，被置于由主镜构成的红外成像光学系统的焦面处或进行弱离焦配置。

红外光学系统所汇聚的目标和景物波束，在进入电调成像波谱液晶模块后，与受控电场激励下构建的、具有特定折射率状态的液晶分子作用，呈现电调变的光程形态，基于FP效应，在液晶模块内多级次高反射干涉相干后，从电调成像波谱液晶模块出射的谱红外波束被送至与电调成像波谱液晶模块匹配耦合的面阵非制冷红外探测器进行光电转换，得到红外光电响应信号。独立调节加载在各电调成像波谱液晶结构单元上的电压信号频率或幅度，改变液晶材料的折射率，从而调变透过各电调成像波谱液晶结构单元的谱红外光波的波长。对面阵非制冷红外探测器所输出的阵列化红外光电响应信号进行量化、配准和非均匀性校正，获得谱红外图像数据并输出。

图2是本发明实施例的可寻址电调成像波谱红外探测芯片的工作原理图。如图2所示，电调成像波谱液晶模块由4×4分区的可寻址独立加电液晶波谱结构构成，即包含16个电调成像波谱液晶结构单元。将256×256元面阵非制冷红外探测器进行4×4分区，使得每单元电调成像波谱液晶结构对应一个64×64元（图中未全部示出）子面阵非制冷红外探测器。各单元电调成像波谱液晶结构包括液晶材料、液晶初始定向结构、高反射膜系、电极、基片和增透膜系，液晶材料的上下两表面依次覆盖液晶初始定向结构、高反射膜系、电极、基片和增透膜系。

对上述16个电调成像波谱液晶结构独立执行加电操作，可基于这16个电调成像波谱液晶结构通过成像光学系统所映射的成像视场中的一个特定成像面，进行可寻址的快速谱检录、动态谱搜索、谱凝视、谱跟踪或谱锁定。全视场谱图像与每单元电调成像波谱液晶结构的子谱图像具有相同的空间分辨率。

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 (9)

1.一种可寻址电调成像波谱红外探测芯片，其特征在于，包括电调成像波谱液晶模块、面阵非制冷红外探测器和驱控预处理模块；其中，

所述面阵非制冷红外探测器被划分成多个阵列分布的子面阵非制冷红外探测器，每个子面阵非制冷红外探测器包括数量和排布方式相同的多个阵列分布的光敏元；

所述电调成像波谱液晶模块与所述面阵非制冷红外探测器匹配耦合，包括多个阵列分布的电调成像波谱液晶结构单元，电调成像波谱液晶结构单元与子面阵非制冷红外探测器一一对应；

所述电调成像波谱液晶模块用于使目标波束发生多级次高反射干涉相干，通过独立调节加载在各电调成像波谱液晶结构单元上的电压信号，调变透过各电调成像波谱液晶结构单元的谱红外光波的波长；

所述面阵非制冷红外探测器用于将透过所述电调成像波谱液晶模块的谱红外光波转换成电信号；

所述驱控预处理模块用于将光电信号进行量化、配准和非均匀性校正，得到目标红外图像数据。

2.如权利要求1所述的可寻址电调成像波谱红外探测芯片，其特征在于，所述电调成像波谱液晶模块和所述面阵非制冷红外探测器均为m×n元，其中，m、n均为大于1的整数。

3.如权利要求1所述的可寻址电调成像波谱红外探测芯片，其特征在于，所述子面阵非制冷红外探测器为p×q元，其中，p、q均为大于1的整数。

4.如权利要求1至3中任一项所述的可寻址电调成像波谱红外探测芯片，其特征在于，所述驱控预处理模块采用SoC和FPGA结合的结构。

5.如权利要求1至4中任一项所述的可寻址电调成像波谱红外探测芯片，其特征在于，所述驱控预处理模块还用于为所述电调成像波谱液晶模块和所述面阵非制冷红外探测器提供驱动和调控信号，驱动所述电调成像波谱液晶模块和所述面阵非制冷红外探测器工作，并对施加在各电调成像波谱液晶结构单元上的电压信号进行调控。

6.如权利要求1所述的可寻址电调成像波谱红外探测芯片，其特征在于，还包括陶瓷外壳和金属支撑散热板；其中，

所述陶瓷外壳位于所述金属支撑散热板的上方，所述金属支撑散热板与所述陶瓷外壳固联，用于支撑和散热，所述驱控预处理模块、所述面阵非制冷红外探测器和所述电调成像波谱液晶模块同轴顺序置于所述陶瓷外壳内，其中，所述面阵非制冷红外探测器位于所述驱控预处理模块的上方，所述电调成像波谱液晶模块位于所述面阵非制冷红外探测器的上方且其光入射面通过所述陶瓷外壳的面部开孔裸露出来。

7.如权利要求6所述的可寻址电调成像波谱红外探测芯片，其特征在于，所述驱控预处理模块上设有第二端口和第二指示灯，所述面阵非制冷红外探测器上设有第三端口和第三指示灯，所述电调成像波谱液晶模块上设有第四端口和第四指示灯；

所述第二端口用于从所述驱控预处理模块向所述面阵非制冷红外探测器和所述电调成像波谱液晶模块输出驱动和调控信号，还用于接收来自所述面阵非制冷红外探测器的红外光电响应信号，还用于接收外部设备向探测器输入的工作指令，所述第二指示灯用于指示所述驱控预处理模块是否处在正常的工作状态；

所述第三端口用于输入所述驱控预处理模块提供给所述面阵非制冷红外探测器的驱动和调控信号，还用于从所述面阵非制冷红外探测器向所述驱控预处理模块输出红外光电响应信号，所述第三指示灯用于指示所述面阵非制冷红外探测器是否处在正常工作状态；

所述第四端口用于输入所述驱控预处理模块提供给所述电调成像波谱液晶模块的驱动和调控信号，所述第四指示灯用于指示所述电调成像波谱液晶模块是否处在正常工作状态。

8.如权利要求7所述的可寻址电调成像波谱红外探测芯片，其特征在于，所述驱控预处理模块上设有第一端口和第一指示灯，所述第一端口用于接入电源线以连接外部电源，所述第一指示灯用于指示电源是否接通。

9.如权利要求8所述的可寻址电调成像波谱红外探测芯片，其特征在于，所述驱控预处理模块上设有第五端口和第五指示灯，所述第五端口用于将所述目标红外图像数据从所述驱控预处理模块输出，所述第五指示灯用于指示所述驱控预处理模块是否处在正常的数据输出状态。

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