CN104363368A - 一种液晶基单眼复眼一体化成像探测芯片 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种液晶基单眼复眼一体化成像探测芯片，包括陶瓷外壳、金属支撑和散热板、以及单眼复眼一体化成像探测架构，陶瓷外壳后部固置于金属支撑和散热板顶部，单眼复眼一体化成像探测架构设置于陶瓷外壳内，并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成像微透镜，面阵电控液晶成像微透镜用于从陶瓷外壳顶部开口接收可见光，并将该可见光聚焦到面阵可见光探测器，驱控与图像预处理模块通过通讯与控制信号输出端口接收来自于外部的工作信号，根据该工作信号生成驱动信号。本发明的液晶基单眼复眼一体化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

一种液晶基单眼复眼一体化成像探测芯片

技术领域

本发明属于成像探测技术领域，更具体地，涉及一种液晶基单眼复眼一体化成像探测芯片。

背景技术

昆虫如苍蝇、蜻蜓和蜜蜂等的复眼，具有多重并行成像探测以及感知识别运动目标能力。具备基于成像的光学性能诸如焦长、焦深、焦斑位置和尺寸、通光孔径以及点扩散函数等的调变功能，呈现较好的环境和目标适应性。迄今为止，通过模仿昆虫复眼发展了多种高效能成像探测器材，如典型的同位复眼相机，基于CCD、CMOS或FPAs等的复眼成像探测架构，微自聚焦晶椎仿生复眼，基于多眼并行的小型化宽视场大景深成像探测，基于复眼的全向探测以及稳定航迹的飞控、导航、定位、侦察、监视与跟踪等。目前，通过对昆虫复眼其成像探测视觉机理的深入分析、模拟、再现和功能扩展，充分利用复眼的体积小、重量轻、视场大、灵敏度高、具备速度与加速度的矢量可测性、以及多重高精度定位等特性,已成为视觉仿生成像探测技术的研发热点，受到广泛关注和重视。

迄今为止所发展的，通过耦合特定形态的折射或衍射微透镜与光敏阵列构造复眼成像探测架构这一方式，已表现出若干缺陷，诸如：(一)所采用的特定表面轮廓形貌的阵列化微透镜仅具有固定的光学性能，无调焦、调变点扩散函数以及变换视场等能力，环境和目标适应性差；(二)常规微透镜阵列中的每单元成像微透镜因仅能匹配有限规模的子光敏阵列，空间分辨率、图像清晰度和对比度低，细节再现能力弱，图像层次感严重不足，目标图像的完备性差；(三)无法基于复眼的低空间分辨率和小尺寸多重图像，反演出目标的常规高空间分辨率和大尺寸清晰图像；(四)实现成像调焦或对焦需要通过多组级联布置的汇聚或发散微透镜阵列间的机械移动进行，响应慢、状态转换耗时长以及惯性大，需匹配复杂精密的辅助驱控装置，因运动姿态的本征连续性无法执行任意的光学状态切入或跳变，光学变换能力有限；(五)难以将基于面阵微透镜与光敏阵列耦合的仿生复眼结构芯片化。

近些年来，具备可以有效汇聚或发散光波，以阵列形式对入射光场进行可调变处理的液晶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包括：(一)基于图案化电极驱控的微米厚度液晶材料，可对行进光波执行可调变的阵列化电控汇聚或发散处理；(二)液晶微透镜的成像探测可依照电参数情况，在任意选取的电控光学状态上展开或快速切换，可接受先验知识或成像情况的约束、干预或引导；(三)平面端面的液晶微透镜可与CCD、CMOS或FPAs等大面阵光敏结构耦合甚至集成；(四)液晶微透镜的驱控操作可基于低功率信号进行，液晶器件功耗可低至微瓦级，驱控装置可小微型化甚至与液晶结构集成。目前，发展光学成像操作可电控进行的面阵液晶成像微透镜技术，实现可随环境和目标情况进行调变的仿生复眼成像操作，已成为发展高性能成像探测技术的热点和难点问题，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，本发明提供了一种液晶基单眼复眼一体化成像探测芯片，其具有结构紧凑，工作在可见光谱段，目标和环境适应性好，体积和质量小，高低空间分辨率兼容，易与其它光学光电机械结构耦合的优点。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种液晶基单眼复眼一体化成像探测芯片，包括陶瓷外壳、金属支撑和散热板、以及单眼复眼一体化成像探测架构，陶瓷外壳后部固置于金属支撑和散热板顶部，单眼复眼一体化成像探测架构设置于陶瓷外壳内，并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成像微透镜，面阵电控液晶成像微透镜用于从陶瓷外壳顶部开口接收可见光，并将该可见光聚焦到面阵可见光探测器，驱控与图像预处理模块通过通讯与控制信号输出端口接收来自于外部的工作信号，根据该工作信号生成驱动信号，并通过面阵可见光探测器驱控信号输入端口将该驱动信号发送到面阵可见光探测器，面阵可见光探测器根据驱动信号对可见光进行光电转换，并对转换后的电信号进行预处理，以生成光电信号，并通过光电信号输入端口将该光电信号传送到驱控与图像预处理模块上的光电信号输入端口，驱控与图像预处理模块对光电信号进行预处理，以生成图像数据，并通过图像数据输出端口将图像数据发送到液晶基单眼复眼一体化成像探测芯片外部的信息处理机，驱控与图像预处理模块还用于判断是否从外部的信息处理机接收到指令信号，若收到则生成驱动和调控信号，并通过面阵电控液晶成像微透镜驱控信号输入端口将该驱动和调控信号发送到面阵电控液晶成像微透镜，若没有收到则继续接收来自面阵可见光探测器的光电信号，面阵电控液晶成像微透镜还用于根据驱动和调控信号调节自身的焦距，并继续从陶瓷外壳顶部开口接收可见光。

优选地，本发明的芯片还包括电源端口，其设置于陶瓷外壳的底面，用于接入电源线从而与外部电源连接。

优选地，驱控与图像预处理模块固置于陶瓷外壳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，面阵电控液晶成像微透镜平行设置于面阵可见光探测器顶部，并通过陶瓷外壳顶部开口将其光入射面裸露出来，

优选地，陶瓷外壳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，陶瓷外壳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，陶瓷外壳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，陶瓷外壳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，陶瓷外壳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成像微透镜处在正常工作状态，陶瓷外壳的侧面上设置有面阵电控液晶成像微透镜驱控信号输入端口，用于输入面阵电控液晶成像微透镜的驱动和调控信号。

优选地，陶瓷外壳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生成的光电信号引入驱控与图像预处理模块，陶瓷外壳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，陶瓷外壳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生成的光电信号引入驱控与图像预处理模块，陶瓷外壳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，陶瓷外壳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，陶瓷外壳的侧面上设置有图像数据输出端口，用于输出图像数据，陶瓷外壳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、本发明可实现电控复眼成像探测，通过耦合面阵电控液晶成像微透镜与阵列规模更大的面阵可见光探测器，形成基于液晶成像微透镜阵列规模的并行子孔径/复眼成像模式，获取目标的多姿态、低空间分辨率和清晰度、以及小尺寸压缩图像，具有电驱控和调变复眼成像能力的优点；

2、本发明可实现电控切换单眼复眼成像探测，在液晶结构上断电后液晶成像微透镜即消失，面阵光敏器件仅在成像光学系统约束下执行单眼成像操作，获取目标的单姿态、高空间分辨率和清晰度度、以及大尺寸完整图像，具有通过快速电切换获取单眼复眼时序性图像的优点。

3、本发明的测量精度高，由于采用面阵电控液晶成像微透镜和可见光探测器，他们均具有极高的结构和性能稳定性以及控制精度，具有测量精度高的优点；

4、本发明高度智能化，液晶结构的加断电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、本发明使用方便。由于采用了集成面阵电控液晶成像微透镜、面阵可见光探测器、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是本发明液晶基单眼复眼一体化成像探测芯片的结构示意图

图2是本发明液晶基单眼复眼一体化成像探测芯片的原理示意图。

图3是本发明液晶基单眼复眼一体化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-面阵电控液晶成像微透镜驱控信号输入端口，8-第三指示灯，9-面阵电控液晶成像微透镜，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-陶瓷外壳，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，本发明的液晶基单眼复眼一体化成像探测芯片包括陶瓷外壳17、金属支撑和散热板18、单眼复眼一体化成像探测架构、以及电源端口15。

电源端口15设置于陶瓷外壳17的底面，用于接入电源线从而与外部电源连接。

陶瓷外壳17后部固置于金属支撑和散热板18顶部，单眼复眼一体化成像探测架构设置于陶瓷外壳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以及面阵电控液晶成像微透镜9。

驱控与图像预处理模块3固置于陶瓷外壳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，面阵电控液晶成像微透镜9平行设置于面阵可见光探测器6顶部，并通过陶瓷外壳17顶部开口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、以及面阵电控液晶成像微透镜9同轴顺序设置。

面阵电控液晶成像微透镜9用于从陶瓷外壳17顶部开口接收可见光，并将该可见光聚焦到面阵可见光探测器6。

驱控与图像预处理模块3通过通讯与控制信号输出端口1接收来自于外部的工作信号，根据该工作信号生成驱动信号，并通过面阵可见光探测器驱控信号输入端口4将该驱动信号发送到面阵可见光探测器6。

面阵可见光探测器6根据驱动信号对可见光进行光电转换，并对转换后的电信号进行预处理，以生成光电信号，并通过光电信号输入端口11将该光电信号传送到驱控与图像预处理模块3上的光电信号输入端口13。

驱控与图像预处理模块3对光电信号进行预处理，以生成图像数据，并通过图像数据输出端口16将图像数据发送到液晶基单眼复眼一体化成像探测芯片外部的信息处理机。

驱控与图像预处理模块3用于判断是否从外部的信息处理机接收到指令信号，若收到则生成驱动和调控信号，并通过面阵电控液晶成像微透镜驱控信号输入端口7将该驱动和调控信号发送到面阵电控液晶成像微透镜9，若没有收到则继续接收来自面阵可见光探测器6的光电信号。

面阵电控液晶成像微透镜9用于根据驱动和调控信号调节自身的焦距，并继续从陶瓷外壳17顶部开口接收可见光。

陶瓷外壳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。

陶瓷外壳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。

陶瓷外壳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。

陶瓷外壳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。

陶瓷外壳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成像微透镜9处在正常工作状态。

陶瓷外壳17的侧面上设置有面阵电控液晶成像微透镜驱控信号输入端口7，用于输入面阵电控液晶成像微透镜7的驱动和调控信号。

陶瓷外壳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生成的光电信号，引入驱控与图像预处理模块3。

陶瓷外壳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。

陶瓷外壳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生成的光电信号，引入驱控与图像预处理模块3。

陶瓷外壳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。

陶瓷外壳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。

陶瓷外壳17的侧面上设置有图像数据输出端口16，用于输出图像数据。

陶瓷外壳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：

本发明的液晶基单眼复眼一体化成像探测芯片被置于测试光路中，或被置于由主镜构成的光学系统的焦面处或弱离焦配置。

面阵可见光探测器与阵列规模较探测器已降低的面阵电控液晶成像微透镜混合集成，与驱控与图像预处理模块共同构成芯片的单眼复眼一体化成像探测架构。复眼数量由电控液晶成像微透镜的阵列规模决定。电控液晶成像微透镜与可见光探测器的组合方式为：单元液晶成像微透镜对应4×4元、5×5元、6×6元甚至更大规模的M×N元子面阵探测器。通过复眼成像获取目标的多姿态、低空间分辨率和清晰度、以及小尺寸压缩图像数据并输出。复眼中的液晶成像微透镜其不同电控状态，等效于常规曲面轮廓凸折射成像微透镜其表面的不同弯曲程度，如图示的等效电控状态-1和-2等，从而显示不同的光汇聚能力以及感光或成像视场，如图示的θ和β角等。通过快速电切换变更成单眼模式时，获取目标的单姿态、高空间分辨率和清晰度度、以及大尺寸完整图像数据并输出，所切换的单眼态如图示的等效电控切换态-3等。

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，面阵电控液晶成像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 (6)

1.一种液晶基单眼复眼一体化成像探测芯片，包括陶瓷外壳、金属支撑和散热板、以及单眼复眼一体化成像探测架构，其特征在于， 

陶瓷外壳后部固置于金属支撑和散热板顶部，单眼复眼一体化成像探测架构设置于陶瓷外壳内，并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成像微透镜； 

面阵电控液晶成像微透镜用于从陶瓷外壳顶部开口接收可见光，并将该可见光聚焦到面阵可见光探测器。 

驱控与图像预处理模块通过通讯与控制信号输出端口接收来自于外部的工作信号，根据该工作信号生成驱动信号，并通过面阵可见光探测器驱控信号输入端口将该驱动信号发送到面阵可见光探测器； 

面阵可见光探测器根据驱动信号对可见光进行光电转换，并对转换后的电信号进行预处理，以生成光电信号，并通过光电信号输入端口将该光电信号传送到驱控与图像预处理模块上的光电信号输入端口； 

驱控与图像预处理模块对光电信号进行预处理，以生成图像数据，并通过图像数据输出端口将图像数据发送到液晶基单眼复眼一体化成像探测芯片外部的信息处理机； 

驱控与图像预处理模块还用于判断是否从外部的信息处理机接收到指令信号，若收到则生成驱动和调控信号，并通过面阵电控液晶成像微透镜驱控信号输入端口将该驱动和调控信号发送到面阵电控液晶成像微透镜，若没有收到则继续接收来自面阵可见光探测器的光电信号； 

面阵电控液晶成像微透镜还用于根据驱动和调控信号调节自身的焦距，并继续从陶瓷外壳顶部开口接收可见光。 

2.根据权利要求1所述的液晶基单眼复眼一体化成像探测芯片，其特征在于，还包括电源端口，其设置于陶瓷外壳的底面，用于接入电源线从 而与外部电源连接。 

3.根据权利要求1所述的液晶基单眼复眼一体化成像探测芯片，其特征在于，驱控与图像预处理模块固置于陶瓷外壳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，面阵电控液晶成像微透镜平行设置于面阵可见光探测器顶部，并通过陶瓷外壳顶部开口将其光入射面裸露出来。 

4.根据权利要求1所述的液晶基单眼复眼一体化成像探测芯片，其特征在于， 

陶瓷外壳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； 

陶瓷外壳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； 

陶瓷外壳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； 

陶瓷外壳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； 

陶瓷外壳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成像微透镜处在正常工作状态； 

陶瓷外壳的侧面上设置有面阵电控液晶成像微透镜驱控信号输入端口，用于输入面阵电控液晶成像微透镜的驱动和调控信号。 

5.根据权利要求1所述的液晶基单眼复眼一体化成像探测芯片，其特征在于， 

陶瓷外壳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生成的光电信号引入驱控与图像预处理模块； 

陶瓷外壳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； 

陶瓷外壳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生成的光电信号引入驱控与图像预处理模块； 

陶瓷外壳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； 

陶瓷外壳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。 

6.根据权利要求1所述的液晶基单眼复眼一体化成像探测芯片，其特征在于， 

陶瓷外壳的侧面上设置有图像数据输出端口，用于输出图像数据； 

陶瓷外壳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。