CN105826341B - 一种可寻址层析视场的液晶基成像探测芯片 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可寻址层析视场的液晶基成像探测芯片。包括面阵电控液晶成像微透镜和面阵光敏探测器，其中，单元电控液晶成像微透镜用于对目标通过物镜形成的压缩光场执行进一步的汇聚式压缩，通过调变加载在所述面阵电控液晶成像微透镜上的信号电压的均方幅值，调变所述单元电控液晶成像微透镜的光汇聚能力，进而调变由物镜和所述单元电控液晶成像微透镜共同确定的目标对焦平面，从而在深度方向上改变能清晰成像的目标图层，执行成像视场在深度方向上的可寻址层析检录。该芯片易与其它功能性光学、光电及电子学结构耦合，易于插入常规成像光路中替换传统光敏成像芯片执行寻址层析视场式的成像探测。

Description

一种可寻址层析视场的液晶基成像探测芯片

技术领域

本发明属于成像探测技术领域，更具体地，涉及一种可寻址层析视场的液晶基成像探测芯片，通过面阵电控液晶成像微透镜和面阵光敏探测器，实现局域成像视场的可寻址层析成像。

背景技术

迄今为止，基于大面阵光敏芯片的成像探测技术已获得广泛应用，千万像素规模的小/微型化图像结构随着智能手机的普及已进入个人消费时代，对更高像质乃至更强成像效能的追求已呈现只有更好和更强这一消费指向。一般而言，现有常规成像探测体制基于物镜或成像光学系统，将目标光场进行大尺度压缩并投射到置放在焦平面处的面阵光敏芯片上，通过光电转换和数字图像预处理获得电子目标图像并加以显示与输出。所能获取的清晰图像仅针对成像视场中某一个向着成像光学系统张开的，深度极为有限或可认为是几乎无深度的平面景物其图形化排布的电磁辐射波场。选择清晰成像面这一操作由物镜的对焦操作完成，极为有限的焦深对应着同样极为有限的目标景深，对焦面以外的景物图像均将模糊化。在对焦面前后距对焦面越远的景物其模糊程度越高，更换对焦面则需要调变物镜焦距，也就是说单次成像实际上所完成的仅是视场中基于物镜焦距所选取的一个平面景物图层的清晰成图操作。通过物镜的机械变焦执行成像视场中由物距所划分的平面景物图层选取，其电子或机械控制信号、焦距与清晰的层化平面景物图像间存在对应关系。在这一体制下，得到远近不同的景物其清晰平面图像的前提是有效配置与更换焦距。机械变焦已带来成像装置其光学系统以及辅助驱控装置的复杂化，使成本增加、系统可靠性降低、成像探测的快速响应和适应能力下降。目前，针对上述问题在光敏层面也发展了多种基于折射、衍射或电控可变形液体微透镜阵列与常规光敏芯片耦合的架构方案，期望通过作用于压缩光场的多焦长属性或电调焦特征来更替和扩展可清晰成像的平面景物图层数量。

目前，随着微电子工艺技术的持续快速发展，光敏芯片的阵列规模仍在持续扩大，实验室级的单片科研产品已突破亿像素级，光敏元尺寸已缩至亚微米尺度，这一进展在进一步提高基于物镜或光汇聚能力的成像清晰度、辐射分辨率以及扩展辐射响应范围等方面，将产生明显改善作用甚至会显著增强成像探测效能，但在景物的层析成像方面的体制性约束依然存在，从而显示能力不足这一缺陷。关键性的问题有：(一)现有成像光学系统的焦深其可扩展程度极为有限，通过昂贵手段所能获得的焦深增量不足以支撑清晰图层数量的显著扩张；(二)机械调焦下的光学稳态过渡期较长，响应相对迟缓，不适用于动态或迅变过程以及快速运动目标的图像信息捕获；(三)机械调焦因存在精度和机械惯性问题，仅能粗略划分或确定相对稳定或缓变的景物其清晰图层位置，难以对视场执行精细层析与可寻址精确检录；(四)基于电控可形变微透镜阵列与光敏芯片集成这一架构执行可调焦操作，因存在结构形变的顺序性和形貌变动惯性，仅适用于稳定或缓变景物且不能执行快速跳跃式的图像检录；(五)基于多焦长衍射微透镜阵列与光敏芯片耦合执行可调焦成像探测，其实质仍是对视场进行粗略划分，同样存在无法精细层析化视场以及执行精确检录等问题；(六)基于多焦长折射微透镜阵列耦合并与光敏芯片匹配执行可变焦成像探测，同样存在采用多焦长衍射微透镜所存在的类似问题。总之，发展适用于动态或迅变场景以及快速运动目标，执行视场的可寻址图像化层析、连续或跳跃检录，以及可与常规成像探测体制兼容的成像探测芯片，是目前进一步发展商用光敏芯片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，本发明提供了一种可寻址层析视场的液晶基成像探测芯片，能基于电控方式层析化局域较近距离处的成像视场，目标的清晰成像图层能通过加载在液晶结构上的电信号执行寻址式选择与调变，并且能灵活运用于常规成像系统中。

为实现上述目的，本发明提供了一种可寻址层析视场的液晶基成像探测芯片，其特征在于，包括面阵电控液晶成像微透镜和面阵光敏探测器；

所述面阵电控液晶成像微透镜包括液晶材料层，依次设置在液晶材料层上表面的第一液晶初始定向层、图形化电极层和第一基片，以及依次设置在液晶材料层下表面的第二液晶初始定向层、平面电极层和第二基片；所述平面电极层由导电透光膜构成，所述图形化电极层由其上布有m×n元阵列分布的电极微孔的导电透光膜构成，其中，m、n均为大于1的整数；所述面阵电控液晶成像微透镜被划分成m×n元阵列分布的单元电控液晶成像微透镜，所述单元电控液晶成像微透镜与所述电极微孔一一对应，每个电极微孔位于对应的单元电控液晶成像微透镜的中心，形成单元电控液晶成像微透镜的上电极，所有单元电控液晶成像微透镜的下电极由所述平面电极层提供；所述面阵光敏探测器被划分成m×n元阵列分布的子面阵光敏探测器，所述子面阵光敏探测器与所述单元电控液晶成像微透镜一一对应；

所述单元电控液晶成像微透镜用于对目标通过物镜形成的压缩光场执行进一步的汇聚式压缩，通过调变加载在所述面阵电控液晶成像微透镜上的信号电压的均方幅值，调变所述单元电控液晶成像微透镜的光汇聚能力，进而调变由物镜和所述单元电控液晶成像微透镜共同确定的目标对焦平面，从而在深度方向上改变能清晰成像的目标图层，执行成像视场在深度方向上的可寻址层析检录。

优选地，所述电极微孔为规则图形的孔结构，定义电极微孔填充系数为单个电极微孔的面积占单元电控液晶成像微透镜的通光面积的比率，所述电极微孔填充系数不低于65％。

优选地，所述电极微孔为长方形、十字形、三角形、正方形、五边形、六边形、圆形或椭圆形。

优选地，所述第一基片远离所述图形化电极层的一面还设有纳米级厚度的保护膜，所述第二基片远离所述平面电极层的一面还设有纳米级厚度的电隔离层。

优选地，上述探测芯片还包括陶瓷外壳，所述面阵电控液晶成像微透镜与所述面阵光敏探测器被同轴顺序排布耦合并封装在所述陶瓷外壳中，所述陶瓷外壳的顶部设有光入射窗口，使所述面阵电控液晶成像微透镜的受光面裸露在外，用于接收外界入射光场。

优选地，所述陶瓷外壳上设有端口和指示灯，所述端口用于从外界向所述液晶基成像探测芯片输入工作指令，以及向外界输出电子图像数据，所述指示灯用于指示所述液晶基成像探测芯片是否处在正常工作状态。

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、通过集成面阵电控液晶成像微透镜与面阵光敏探测器，构成小/微型化的可寻址层析视场的液晶基成像探测芯片；

2、通过在面阵电控液晶成像微透镜上加载能灵活调变频率、幅度和占空比的时序电压信号，改变在成像视场深度方向上的被清晰成像的目标平面图层，具有层析成像其控制方式灵活，清晰成像的目标平面图层可电控顺序扫描、检录、任意图层切入与灵活调换的特点；

3、通过加载及调变均方信号电压，具有能执行基于电信号均方幅度的空间寻址式层析化局域视场的成像探测的特点；

4、具有易与其它功能性光学、光电及电子学结构耦合的特点；

5、具有易于插入常规成像光路中替换传统光敏成像芯片执行寻址层析视场式的成像探测的特点。

附图说明

图1是本发明实施例的可寻址层析视场的液晶基成像探测芯片的结构示意图；

图2是本发明实施例的可寻址层析视场的液晶基成像探测芯片的光学应用配置示意图，其中，(a)为光轴外物点的光学汇聚效应示意图，(b)为光轴上物点的光学汇聚效应示意图；

图3是本发明实施例的可寻址层析视场的液晶基成像探测芯片不具备视场层析效能的光学应用配置示意图；

图4是本发明实施例的可寻址层析视场的液晶基成像探测芯片的剖面结构示意图；

图5是本发明实施例的可寻址层析视场的液晶基成像探测芯片的详细剖面结构图；

图6是本发明实施例的可寻址层析视场的液晶基成像探测芯片的电极形态示意图；

图7是典型的电极微孔结构。

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-陶瓷外壳，2-指示灯，3-端口，4-面阵光敏探测器，5-面阵电控液晶成像微透镜，6-光入射窗口。

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。

图1是本发明实施例的可寻址层析视场的液晶基成像探测芯片的结构示意图。如图所示，面阵电控液晶成像微透镜5与面阵光敏探测器4被同轴顺序排布耦合并封装在陶瓷外壳1中，陶瓷外壳1的顶部设有光入射窗口6，使面阵电控液晶成像微透镜5的受光面裸露在外，用于接收外界入射光场。在陶瓷外壳1上设有指示灯2和端口3，端口3用于从外界向液晶基成像探测芯片输入工作指令，以及向外界输出电子图像数据，指示灯2用于指示液晶基成像探测芯片是否处在正常工作状态，在液晶基成像探测芯片处在正常工作状态时，指示灯2接通闪烁。

图2是本发明实施例的可寻址层析视场的液晶基成像探测芯片的光学应用配置示意图，其中，图(a)和图(b)分别是光轴外物点与光轴上物点的光学汇聚效应示意图。如图(a)所示，液晶基成像探测芯片被置于物镜的焦面处，在正常加电态下，每单元电控液晶成像微透镜对目标通过物镜形成的局域压缩光场分别执行进一步的汇聚式压缩，进而通过与其匹配的子面阵光敏探测器完成基于物镜及电控液晶成像微透镜联合确定的，目标某一平面对焦面的光电转换与清晰成图操作，如图中所示的B平面图层的清晰成像情形(虚线框内)。所选定的对焦面前方A平面图层中的局域物体(虚线框内)的出射光束，因在光敏芯片位置处仍未充分聚焦或仍处在亚聚焦态，图像仍显模糊。所选定的对焦面后方C平面图层中的局域物体(虚线框外)的出射光束，因已在大面阵光敏探测器处散焦，图像已模糊。A及C平面图层中与B图层中有相同物距的物体，如A图层中的运输车辆以及C图层中的虚线框内的人物，同样显示清晰图像。如图(b)所示，光轴上远近不同的物点如a点、b点及c点分别发出的光线经物镜汇聚在像方光轴的a‵点、b‵点及c‵点处。b‵点为焦点，汇聚在a‵点的光束在焦面上呈现较大面积的亚聚焦态，汇聚在c‵点的光束则在焦面上也呈现较大面积的散焦态，轴上和轴外点显示类似的光束汇聚趋势。

图3是本发明实施例的可寻址层析视场的液晶基成像探测芯片不具备视场层析效能的光学应用配置示意图。如图所示，远景处的物体随物距改变其在焦面上的光斑尺寸的作用很弱，在这种情况下即使采用液晶微透镜进一步压缩物镜所形成的汇聚光场，因成像基于目标在无穷远处这一假设对光线进行处理，将无法基于微透镜对图像清晰度进行调变。

图4是本发明实施例的一种可寻址层析视场的液晶基成像探测芯片的剖面结构示意图。如图所示，电控液晶成像微透镜阵列与面阵光敏探测器混合集成，每单元液晶成像微透镜与一个将面阵光敏结构等面积区块化后的子面阵探测器匹配，完成基于液晶成像微透镜进行光汇聚操作的成像探测应用。液晶成像微透镜的作用主要表现在如图所示的与常规折射聚光微透镜等效的光束变换效应，如图示的将物镜提供的近距离目标的汇聚光束进一步压缩汇聚，将远距离目标的物镜散焦光束变换成汇聚光束以及将物镜聚焦光束进一步压缩等操作。

图5是本发明实施例的可寻址层析视场的液晶基成像探测芯片的详细剖面结构图。如图所示，面阵电控液晶成像微透镜由图形电极与平面电极构造的微米深度微腔中充分填充微米厚度的液晶材料构成，液晶分子被在图形电极和平面电极表面上制作的由纳米深度、宽度和周期的沟槽均匀排布所形成的液晶初始定向层约束。具体地，面阵电控液晶成像微透镜包括液晶材料层，依次设置在液晶材料层上表面的第一液晶初始定向层、图形化电极层、第一基片和保护膜，以及依次设置在液晶材料层下表面的第二液晶初始定向层、平面电极层、第二基片、电隔离层(光学介质层)。保护膜和电隔离层的厚度均为纳米级。保护膜通过陶瓷外壳1上的光入射窗口6裸露在外，用于接收外界入射光场。

如图6所示，平面电极层由纳米级厚度的导电透光膜构成，图形化电极层由其上布有m×n元阵列分布的电极微孔的纳米级厚度的导电透光膜构成，其中，m、n均为大于1的整数。面阵电控液晶成像微透镜被划分成m×n元阵列分布的单元电控液晶成像微透镜，单元电控液晶成像微透镜与电极微孔一一对应，每个电极微孔位于对应的单元电控液晶成像微透镜的中心，形成单元电控液晶成像微透镜的上电极，所有单元电控液晶成像微透镜的下电极由平面电极层提供。面阵光敏探测器为可见光谱域的光敏探测器，被划分成m×n元阵列分布的子面阵光敏探测器，子面阵光敏探测器与单元电控液晶成像微透镜一一对应。

定义电极微孔填充系数为单个电极微孔的面积占单元电控液晶成像微透镜的通光面积的比率，电极微孔为规则图形的孔结构，其填充系数应不低于65％。如图7所示，电极微孔可以为长方形、十字形、三角形、正方形、五边形、六边形、圆形或椭圆形。

下面详细说明本发明实施例的可寻址层析视场的液晶基成像探测芯片的工作过程。首先将一组可提供供电、光敏结构驱控信号、面阵电控液晶成像微透镜的驱控和调变信号以及图像数据传输的并行线接入端口，然后分别输入驱控光敏器件及电控液晶成像微透镜阵列的工作指令，此时成像探测芯片开始执行可寻址层析视场的成像探测操作；在上述工作过程中，指示灯持续接通闪烁；通过调节电压信号的频率、幅度或占空比，调节液晶基成像探测芯片的视场层析化成像操作。

具体地，在正常加电态下，每单元电控液晶成像微透镜对目标通过物镜形成的压缩光场分别执行进一步的汇聚式压缩，进而通过与其匹配的子面阵光敏探测器完成基于物镜及电控液晶成像微透镜联合确定的目标某一平面对焦面的光电转换与清晰成图操作；调变加载在面阵液晶成像微透镜上的均方信号电压，或者说调变单元液晶成像微透镜的光汇聚能力或焦长，等效于调变由物镜和液晶成像微透镜共同确定的目标对焦面，从而在深度方向上改变能清晰成像的目标图层；在某一正常加电状态下的面阵液晶成像微透镜与物镜所确定的目标对焦面，一般仅具有极薄的可清晰成像的图层厚度，即通常意义上的狭小景深，通过调变加载在面阵液晶成像微透镜上的电压信号，等效于对可清晰成像的目标对焦面进行层化扫描，即基于加载在液晶结构上的电信号执行成像视场在深度方向上的可寻址层析检录；其中，可寻址层析视场的液晶基成像探测芯片在时序电压信号作用下，对局域较近距离处的成像视场进行可寻址的层析式清晰成图操作；所述可寻址层析视场的液晶基成像探测芯片对成像视场的层析成像操作，由调变加载在电控液晶成像微透镜阵列上的信号电压的均方幅值完成。

通过加载信号电压均方幅值超过特定阈值的电信号，驱动图形电极与平面电极间所填充的液晶分子形成阵列化聚光的特定折射率空间排布形态即形成液晶成像微透镜，调变信号电压的均方幅值对应于调变液晶成像微透镜的聚光或聚焦能力；通过改变所加载的电压信号的频率、幅度或占空比，改变信号电压的均方幅值。

本发明的可寻址层析视场的液晶基成像探测芯片，具有基于电控方式层析化局域成像视场，目标的清晰成像图层可通过加载在液晶结构上的电信号执行寻址式选择与调变，以及可灵活运用于常规成像系统中的特点。

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)

1.一种可寻址层析视场的液晶基成像探测芯片，其特征在于，包括面阵电控液晶成像微透镜和面阵光敏探测器；

所述面阵电控液晶成像微透镜包括液晶材料层，依次设置在液晶材料层上表面的第一液晶初始定向层、图形化电极层和第一基片，以及依次设置在液晶材料层下表面的第二液晶初始定向层、平面电极层和第二基片；所述平面电极层由导电透光膜构成，所述图形化电极层由其上布有m×n元阵列分布的电极微孔的导电透光膜构成，其中，m、n均为大于1的整数；所述面阵电控液晶成像微透镜被划分成m×n元阵列分布的单元电控液晶成像微透镜，所述单元电控液晶成像微透镜与所述电极微孔一一对应，每个电极微孔位于对应的单元电控液晶成像微透镜的中心，形成单元电控液晶成像微透镜的上电极，所有单元电控液晶成像微透镜的下电极由所述平面电极层提供；所述面阵光敏探测器被划分成m×n元阵列分布的子面阵光敏探测器，所述子面阵光敏探测器与所述单元电控液晶成像微透镜一一对应；

所述单元电控液晶成像微透镜用于对目标通过物镜形成的压缩光场执行进一步的汇聚式压缩，通过调变加载在所述面阵电控液晶成像微透镜上的信号电压的均方幅值，调变所述单元电控液晶成像微透镜的光汇聚能力，进而调变由物镜和所述单元电控液晶成像微透镜共同确定的目标对焦平面，从而在深度方向上改变能清晰成像的目标图层，执行成像视场在深度方向上的可寻址层析检录。

2.如权利要求1所述的可寻址层析视场的液晶基成像探测芯片，其特征在于，所述电极微孔为规则图形的孔结构，定义电极微孔填充系数为单个电极微孔的面积占单元电控液晶成像微透镜的通光面积的比率，所述电极微孔填充系数不低于65％。

3.如权利要求2所述的可寻址层析视场的液晶基成像探测芯片，其特征在于，所述电极微孔为长方形、十字形、三角形、正方形、五边形、六边形、圆形或椭圆形。

4.如权利要求1至3中任一项所述的可寻址层析视场的液晶基成像探测芯片，其特征在于，所述第一基片远离所述图形化电极层的一面还设有纳米级厚度的保护膜，所述第二基片远离所述平面电极层的一面还设有纳米级厚度的电隔离层。

5.如权利要求1至3中任一项所述的可寻址层析视场的液晶基成像探测芯片，其特征在于，还包括陶瓷外壳，所述面阵电控液晶成像微透镜与所述面阵光敏探测器被同轴顺序排布耦合并封装在所述陶瓷外壳中，所述陶瓷外壳的顶部设有光入射窗口，使所述面阵电控液晶成像微透镜的受光面裸露在外，用于接收外界入射光场。

6.如权利要求5所述的可寻址层析视场的液晶基成像探测芯片，其特征在于，所述陶瓷外壳上设有端口和指示灯，所述端口用于从外界向所述液晶基成像探测芯片输入工作指令，以及向外界输出电子图像数据，所述指示灯用于指示所述液晶基成像探测芯片是否处在正常工作状态。