CN104319280B - 一种液晶基多眼套叠仿生成像探测芯片 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种液晶基多眼套叠仿生成像探测芯片，包括多眼套叠成像探测架构，其包括同轴顺序设置的驱控与图像预处理模块、面阵可见光探测器以及面阵电控液晶聚光微透镜，面阵电控液晶聚光微透镜包括m×m个单元微透镜，其中m均为正整数，面阵可见光探测器被划分为m×m个子面阵可见光探测器，每个子面阵可见光探测器包括m×m个光敏元，面阵电控液晶聚光微透镜用于接收目标光波，并将该目标光波离散分割到面阵可见光探测器中不同子面阵可见光探测器的对应光敏元上。本发明的液晶基多眼套叠仿生成像探测芯片具有结构紧凑，使用方便，易与常规成像光学系统耦合，目标和环境适应性好等特点。

Description

一种液晶基多眼套叠仿生成像探测芯片

技术领域

本发明属于成像探测技术领域，更具体地，涉及一种液晶基多眼套叠仿生成像探测芯片。

背景技术

迄今为止，通过仿生复眼同步获取目标的多姿态图像这一技术发展迅速，如典型的光场相机和拼接多块仿生复眼的全景相机等。目前，通过对昆虫复眼其阵列化成像视觉机理进行深入分析、功能挖掘与扩展，基于复眼图像的再排布，构造更为清晰、结构尺寸成倍增大、目标形态更为完备和丰富的多姿态目标图像，充分利用高空间频率复眼图像来增强甚至实现超分辨式的成像探测,已成为视觉仿生成像技术的研发热点，受到了广泛关注和重视。进入新世纪以来，发展具有较强环境适应能力，可灵活快捷地响应目标形态、姿态或运动行为的变化，抗激光攻击或干扰，抗强辐射照射，可有效对付光学隐身甚至虚假目标，能与常规成像光学系统匹配耦合等的仿生复眼成像方法与手段，已成为发展先进成像探测技术的一个重要方向和研发热点。

现有基于面阵微光学成像结构与光敏阵列耦合的仿生复眼结构，均基于光学成像能力固定的阵列化折射或衍射微透镜，其典型缺陷包括：(一)常规微透镜不具备表征光学成像效能的多个参量，如焦长、焦斑亮度和尺寸、焦深、点扩散函数和视场等的调变能力，与可调变的生物复眼存在明显差距，环境和目标适应性差；(二)作为子孔径的单元成像微透镜因仅能匹配有限规模的子光敏阵列，经子孔径进一步压缩构建的复眼目标图像其结构尺寸小，空间分辨率、图像清晰度和对比度低，像质差；(三)基于复眼(子孔径)图像依据微透镜规模进行图像数据重排构造的目标图像，尽管空间分辨率被显著增大，目标图像的结构尺寸、清晰度和对比度等被显著提高，但受制于微透镜其光学能力的不变性，同样显示较差的环境和目标适应性；(四)变焦成像通过级联布置的汇聚或发散微透镜阵列间的机械移动进行，需匹配复杂精密的驱控装置，变焦操作仅能按照固定顺序展开，响应慢、过程长以及惯性大，不能执行任意光学状态的快速电控切入或跳变，成像调变能力极为有限；(五)难以芯片化基于面阵微透镜与光敏阵列耦合的复眼结构。

近些年来，可有效进行电调焦操作的阵列化液晶聚光微透镜技术发展迅速，为解决上述问题提供了新思路。目前已具备的主要功能有：(一)基于图案化电极驱控的阵列化液晶微透镜，可由低功率信号驱动及调变光汇聚操作；(二)液晶聚光微透镜的光学参数如焦长、焦斑亮度和尺寸、焦深、点扩散函数和瞬时视场等，与驱控信号如典型的电压信号其均方值或信号频率等，具有唯一性的对应关系，施加电压信号与建立稳定的光学汇聚态间的时间常数在亚毫秒级(目前实验室级器件最快已达到微秒级)，已能保证光学态的快速电控建立、维持或跳变；(三)驱控信号与光汇聚能力间的一一对应关系，意味着聚光操作可量化接受先验知识或成像情况的约束、干预或引导；(四)液晶聚光微透镜的形貌和电驱控特征使其具有与光敏芯片集成，构成稳定甚至刚性的芯片化架构的潜力。目前，发展基于电控液晶微透镜阵列与光敏芯片集成，能有效适应动态环境和目标的仿生成像探测方法与手段，已成为发展高性能成像探测技术的热点问题，正面临新的突破。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种液晶基多眼套叠仿生成像探测芯片，其可工作在可见光谱段，目标和环境适应性好，体积和质量小，易与光学光电机械结构匹配耦合，且套叠式复眼成像探测是基于电驱控信号展开、凝固或调变。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种液晶基多眼套叠仿生成像探测芯片，包括多眼套叠成像探测架构，其包括同轴顺序设置的驱控与图像预处理模块、面阵可见光探测器以及面阵电控液晶聚光微透镜，面阵电控液晶聚光微透镜包括m×m个单元微透镜，其中m均为正整数，面阵可见光探测器被划分为m×m个子面阵可见光探测器，每个子面阵可见光探测器包括m×m个光敏元，面阵电控液晶聚光微透镜用于接收目标光波，并将该目标光波离散分割到面阵可见光探测器中不同子面阵可见光探测器的对应光敏元上，驱控与图像预处理模块用于为面阵可见光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图像预处理模块，驱控与图像预处理模块还用于对电信号进行量化解算和校准，以得到基于观察视角或目标姿态的序列高像质图像数据并输出。

优选地，还包括芯片壳体以及金属支撑和散热板。

优选地，多眼套叠成像探测架构设置于芯片壳体内，芯片壳体后部固置于金属支撑和散热板顶部，驱控与图像预处理模块固置于芯片壳体后部与金属支撑和散热板连接处，面阵可见光探测器平行设置于驱控与图像预处理模块顶部，面阵电控液晶聚光微透镜平行设置于面阵可见光探测器顶部，并通过芯片壳体面部开窗将其光入射面裸露出来。

优选地，芯片壳体的侧面上设置有通讯与控制信号输出端口，用于输出驱控与图像预处理模块提供给面阵可见光探测器的驱动和调控信号，以及输入外部工作指令，芯片壳体的侧面上设置有第一指示灯，该灯接通用于显示驱控与图像预处理模块处在正常工作状态，芯片壳体的侧面上设置有面阵可见光探测器驱控信号输入端口，用于输入面阵可见光探测器的驱动和调控信号，芯片壳体的侧面上设置有第二指示灯，该灯接通用于显示面阵可见光探测器处在正常工作状态，芯片壳体的侧面上设置有第三指示灯，该灯接通用于显示面阵电控液晶聚光微透镜处在正常工作状态，芯片壳体的侧面上设置有面阵电控液晶聚光微透镜驱控信号输入端口，用于输入面阵电控液晶聚光微透镜的驱动和调控信号。

优选地，芯片壳体的底面上设置有光电信号输入端口，用于将面阵可见光探测器的光电输出信号，引入驱控与图像预处理模块，芯片壳体的底面上设置有第四指示灯，该灯接通用于显示面阵可见光探测器处在正常的信号输出状态，芯片壳体的底面上设置有光电信号输入端口，用于将面阵可见光探测器的光电输出信号，引入驱控与图像预处理模块，芯片壳体的底面上设置有第五指示灯，该灯接通用于显示驱控与图像预处理模块处在正常的数据输入状态，芯片壳体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，芯片壳体的底面上设置有第六指示灯，该灯接通用于显示电源已接通。

优选地，芯片壳体的侧面上设置有图像数据输出端口，用于输出所测量的图像数据，芯片壳体的侧面上设置有第七指示灯，该灯接通用于显示驱控与图像预处理模块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，能够取得下列有益效果：

1、电控复眼成像探测。将面阵电控液晶聚光微透镜与阵列规模更大的面阵可见光探测器耦合，使单元液晶微透镜与子面阵探测器匹配耦合，构成各单眼的子像素簇，通过电控调节微透镜的定向束汇聚能力，具备电驱控和调变成像能力的优点。

2、电控调变目标的成像姿态变动范围。由于液晶聚光微透镜其光线弯折或感知光束入射角的能力受电信号调节，具有电控调变成像目标姿态变动范围的优点。

3、目标和环境适应性好。通过电调液晶微透镜的点扩散函数和焦长，可以电控变更对焦点来调变成像范围，以及校正甚至消除运动模糊和光场波动对成像探测的影响；

4、智能化。液晶结构的电控操作可在先验知识或成像情况的约束、干预或引导下展开，具有智能化特征。

5、使用方便。由于采用了集成面阵电控液晶聚光微透镜、面阵可见光探测器以及驱控和图像预处理模块这样的体系架构，具有接插方便，易与成像光学系统、电子学和机械装置耦合的优点。

附图说明

图1是本发明液晶基多眼套叠仿生成像探测芯片的结构示意图；

图2是本发明液晶基多眼套叠仿生成像探测芯片的工作原理示意图；

图3是本发明液晶基多眼套叠仿生成像探测芯片的光束变换示意图。

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-通讯与控制信号输出端口，2-第一指示灯，3-驱控与图像预处理模块，4-面阵可见光探测器驱控信号输入端口，5-第二指示灯，6-面阵可见光探测器，7-面阵电控液晶聚光微透镜驱控信号输入端口，8-第三指示灯，9-面阵电控液晶聚光微透镜，10-第四指示灯，11-光电信号输出端口，12-第五指示灯，13-光电信号输入端口，14-第六指示灯，15-电源端口，16-图像数据输出端口，17-芯片壳体，18-金属支撑和散热板，19-第七指示灯

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，本发明的液晶基多眼套叠仿生成像探测芯片包括：芯片壳体17、金属支撑和散热板18、以及多眼套叠成像探测架构。

多眼套叠成像探测架构设置于芯片壳体17内，并包括驱控与图像预处理模块3、面阵可见光探测器6以及面阵电控液晶聚光微透镜9。

芯片壳体17后部固置于金属支撑和散热板18顶部，驱控与图像预处理模块3固置于芯片壳体17后部与金属支撑和散热板18连接处，面阵可见光探测器6平行设置于驱控与图像预处理模块3顶部，面阵电控液晶聚光微透镜9平行设置于面阵可见光探测器6顶部，并通过芯片壳体17面部开窗将其光入射面裸露出来。驱控与图像预处理模块3、面阵可见光探测器6、以及面阵电控液晶聚光微透镜9同轴顺序设置。

面阵电控液晶聚光微透镜9包括m×m个单元微透镜，其中m均为正整数。

面阵可见光探测器6被划分为m×m个子面阵可见光探测器，该子面阵可见光探测器的数量与面阵电控液晶聚光微透镜9中单元微透镜的数量相同，每个子面阵可见光探测器包括m×m个光敏元。

面阵电控液晶聚光微透镜9用于接收目标光波，并将该目标光波离散分割到面阵可见光探测器6中不同子面阵可见光探测器的对应光敏元上。

驱控与图像预处理模块3用于为面阵可见光探测器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与图像预处理模块3。

驱控与图像预处理模块3还用于对电信号进行量化解算和校准，以得到基于观察视角或目标姿态的序列高像质图像数据并输出，从而完成复眼成像探测操作。

芯片壳体17的侧面上设置有通讯与控制信号输出端口1，用于输出驱控与图像预处理模块3提供给面阵可见光探测器6的驱动和调控信号，以及输入外部工作指令。

芯片壳体17的侧面上设置有第一指示灯2，该灯接通用于显示驱控与图像预处理模块3处在正常工作状态。

芯片壳体17的侧面上设置有面阵可见光探测器驱控信号输入端口4，用于输入面阵可见光探测器6的驱动和调控信号。

芯片壳体17的侧面上设置有第二指示灯5，该灯接通用于显示面阵可见光探测器6处在正常工作状态。

芯片壳体17的侧面上设置有第三指示灯8，该灯接通用于显示面阵电控液晶聚光微透镜9处在正常工作状态。

芯片壳体17的侧面上设置有面阵电控液晶聚光微透镜驱控信号输入端口7，用于输入面阵电控液晶聚光微透镜7的驱动和调控信号。

芯片壳体17的底面上设置有光电信号输入端口11，用于将面阵可见光探测器6的光电输出信号，引入驱控与图像预处理模块3。

芯片壳体17的底面上设置有第四指示灯10，该灯接通用于显示面阵可见光探测器6处在正常的信号输出状态。

芯片壳体17的底面上设置有光电信号输入端口13，用于将面阵可见光探测器6的光电输出信号，引入驱控与图像预处理模块3。

芯片壳体17的底面上设置有第五指示灯12，该灯接通用于显示驱控与图像预处理模块3处在正常的数据输入状态。

芯片壳体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。

芯片壳体17的底面上设置有第六指示灯14，该灯接通用于显示电源已接通。

芯片壳体17的侧面上设置有图像数据输出端口16，用于输出所测量的图像数据。

芯片壳体17的侧面上设置有第七指示灯19，该灯接通用于显示驱控与图像预处理模块3处在正常的数据输出状态。

以下参考图2和图3描述本发明的工作原理：

如图2所示，液晶基多眼套叠仿生成像探测芯片被置于由主镜构成的成像光学系统的焦面处也可弱离焦配置，或可直接置于测试光路中。

如图3所示，液晶基多眼套叠仿生成像探测芯片中的面阵电控液晶聚光微透镜其每单元微透镜，分别与2×2元(4个单眼)、3×3元(9个单眼)、4×4元(16个单眼)或m×m元(m²个单眼)子面阵探测器对应，其中m为大于1的整数。目标光波进入面阵液晶微透镜后被其离散分割成子波束阵，各子波束中具有细微方向差的多向目标光线，被每单元微透镜定向汇聚在与其对应的子面阵探测器的特定光敏元上，并进一步完成光电转换操作。驱控与图像预处理模块(图中未示出)将各子面阵探测器中相应位置处的光敏元的光电信号归属到一个单眼的成像操作中，通过量化解算和校准面阵光电信号，得到基于观察视角或目标姿态的序列高像质图像数据并输出，完成复眼成像探测操作。

本发明的液晶基多眼套叠仿生成像探测芯片，采用面阵电控液晶聚光微透镜和大面阵可见光探测器耦合这样的架构。面阵可见光探测器被区域化成由微透镜规模所约束的阵列化子面阵探测器，各子面阵探测器中相应位置处的光敏元的光电转换，被归属到一个单眼的成像操作中,具有高空间分辨率、高清晰度与高角分辨率相融合的优点。所采用的大面阵微透镜其多向光束的离散化汇聚能力，由所施加的电驱控信号调节。液晶微透镜的电控聚光效能，与常规的具有不同表面弯曲程度的凸面轮廓折射聚能微透镜类似，如图示的等效凸面轮廓-1和-2等。通过液晶微透镜的电控束汇聚能力，将有效调变微透镜的聚能效率以及入射光束的角变动范围。

由于本发明的面阵电控液晶聚光微透镜、面阵可见光探测器和驱控与图像预处理模块集成在单个芯片上，具有接插方便，易与成像光学系统、电子和机械装置匹配耦合的优点。

本发明的主要工作流程如下所述：面阵电控液晶聚光微透镜与面阵可见光探测器及驱控与图像预处理模块耦合，构成多眼套叠成像探测架构。每单元液晶聚光微透镜与数量和排布方式均相同的子面阵可见光探测器耦合，子面阵结构中的探测器数量即为所套叠的复眼数目。目标光波进入面阵电控液晶聚光微透镜后被其离散分割成子波束阵，各子波束中具有细微方向差的多向光线，被液晶微透镜定向汇聚在与其对应的，子面阵探测器的特定光敏元上并进一步完成光电转换操作。解算与各微透镜耦合的子面阵探测器其相应光敏元的光电响应信号，得到所观察目标针对各单眼，在单元液晶微透镜相应波束汇聚位置处的像素光电信号强度或亮度，以及组合而成的目标多姿态图像。换言之，每单元液晶微透镜将各单眼观察目标某一部位的多向光信号集中收集并定向汇聚在与其匹配的，子面阵探测器的特定光敏元上。通过再排布各子面阵探测器相应光敏元的光电信号，得到通过各单眼观察目标的多姿态、高空间分辨率和高清晰度的图像数据，完成多眼套叠式的成像探测操作。每单元液晶微透镜的功能是：将各单眼的多向汇聚波束定向投送到相应探测器上，但所需完成的仅是针对光电转换的聚光式光能压缩处理。通过在电驱控信号作用下调变液晶微透镜其多向波束的离散汇聚能力，改变对焦点以及适应或调变目标运动或环境因素变化对成像探测的影响。

以下简要介绍本发明的操作过程：

操作时，首先用并行信号和数据线连接驱控信号输出端口1、探测器驱控信号输入端口4，面阵电控液晶聚光微透镜驱控信号输入端口7；用并行数据线连接光电信号输出端口11和端口13；再将并行信号和数据线插入端口16；电源线连接到电源端口15上。然后通过并行信号和数据线送入电源开启指令，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、第六指示灯14接通闪烁，自检通过后第五指示灯12、以及第六指示灯14熄灭，芯片进入工作状态。通过并行信号和数据线送入工作指令后，芯片开始图像数据采集。光电响应信号由光电信号输出端口11、以及光电信号输入端口13送入驱控与图像预处理模块3，此时第四指示灯10、以及第五指示灯12再次接通闪烁。经驱控与图像预处理模块3处理后的图像数据，由图像数据输出端口16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)

1.一种液晶基多眼套叠仿生成像探测芯片，包括多眼套叠成像探测架构，其包括同轴顺序设置的驱控与图像预处理模块、面阵可见光探测器以及面阵电控液晶聚光微透镜，其特征在于，

面阵电控液晶聚光微透镜包括m×m个单元微透镜，其中m均为正整数；

面阵可见光探测器被划分为m×m个子面阵可见光探测器，子面阵可见光探测器的数量与面阵电控液晶聚光微透镜中单元微透镜的数量相同，每个子面阵可见光探测器包括m×m个光敏元；

面阵电控液晶聚光微透镜用于接收目标光波，并将该目标光波离散分割到面阵可见光探测器中不同子面阵可见光探测器的对应光敏元上；

驱控与图像预处理模块用于为面阵可见光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图像预处理模块；

驱控与图像预处理模块还用于对电信号进行量化解算和校准，以得到基于观察视角或目标姿态的序列高像质图像数据并输出；

多眼套叠成像探测架构设置于芯片壳体内；

芯片壳体后部固置于金属支撑和散热板顶部；

驱控与图像预处理模块固置于芯片壳体后部与金属支撑和散热板连接处；

面阵可见光探测器平行设置于驱控与图像预处理模块顶部；

面阵电控液晶聚光微透镜平行设置于面阵可见光探测器顶部，并通过芯片壳体面部开窗将其光入射面裸露出来。

2.根据权利要求1所述的液晶基多眼套叠仿生成像探测芯片，其特征在于，还包括芯片壳体以及金属支撑和散热板。

3.根据权利要求2所述的液晶基多眼套叠仿生成像探测芯片，其特征在于，

芯片壳体的侧面上设置有通讯与控制信号输出端口，用于输出驱控与图像预处理模块提供给面阵可见光探测器的驱动和调控信号，以及输入外部工作指令；

芯片壳体的侧面上设置有第一指示灯，该灯接通用于显示驱控与图像预处理模块处在正常工作状态；

芯片壳体的侧面上设置有面阵可见光探测器驱控信号输入端口，用于输入面阵可见光探测器的驱动和调控信号；

芯片壳体的侧面上设置有第二指示灯，该灯接通用于显示面阵可见光探测器处在正常工作状态；

芯片壳体的侧面上设置有第三指示灯，该灯接通用于显示面阵电控液晶聚光微透镜处在正常工作状态；

芯片壳体的侧面上设置有面阵电控液晶聚光微透镜驱控信号输入端口，用于输入面阵电控液晶聚光微透镜的驱动和调控信号。

4.根据权利要求2所述的液晶基多眼套叠仿生成像探测芯片，其特征在于，

芯片壳体的底面上设置有光电信号输入端口，用于将面阵可见光探测器的光电输出信号，引入驱控与图像预处理模块；

芯片壳体的底面上设置有第四指示灯，该灯接通用于显示面阵可见光探测器处在正常的信号输出状态；

芯片壳体的底面上设置有光电信号输入端口，用于将面阵可见光探测器的光电输出信号，引入驱控与图像预处理模块；

芯片壳体的底面上设置有第五指示灯，该灯接通用于显示驱控与图像预处理模块处在正常的数据输入状态；

芯片壳体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；

芯片壳体的底面上设置有第六指示灯，该灯接通用于显示电源已接通。

5.根据权利要求2所述的液晶基多眼套叠仿生成像探测芯片，其特征在于，

芯片壳体的侧面上设置有图像数据输出端口，用于输出所测量的图像数据；

芯片壳体的侧面上设置有第七指示灯，该灯接通用于显示驱控与图像预处理模块处在正常的数据输出状态。