CN113835249A - 一种可见光近红外层析化望远成像系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可见光近红外层析化望远成像系统，属于光学成像探测技术领域。包括长焦主透镜、电控液晶微光学结构、面阵光敏探测器、驱控模块和处理模块；长焦主透镜将远方物体进行一次压缩成像；驱控模块为面阵光敏探测器和电控液晶微光学结构提供用于驱动和调控的电压信号；电控液晶微光学结构将不同方向的目标光束进行离散化排布，并汇聚于光敏元上；面阵光敏探测器将入射到光敏元上的特征光束转换为电信号；处理模块将来自各光敏元的电信号进行量化处理，得到包含三维空间信息的序列子图像数据。本发明通过建立电信号‑目标深度的关系，从而进行电控层析化成像，进一步扩展景深。

Description

一种可见光近红外层析化望远成像系统
技术领域
本发明属于光学成像探测技术领域，更具体地，涉及一种可见光近红外层析化望远成像系统。
背景技术
伴随着人类对世界的认知，第一台望远镜在17世纪的欧洲诞生。经过数百年的发展，望远镜的成像质量与类型得到了长足的进步。目前，望远成像系统广泛应用在军事探测、天文观测等领域中，它可以给观察者一种把物体“拉近了”的感觉。远方物体经望远成像系统所成的像，既可以通过目镜观察，也可以通过电子系统进行观察。
尽管望远成像系统的整体性能一直在提升，但景深不足是传统望远成像系统的一个重要缺陷。景深，是指光学成像系统前沿着成像器件轴线所测定的能够取得清晰图像的物距范围。由于望远系统的长焦特性，其景深一般都较小，在不进行调焦的情况下，其景深通常以米为量级。这在很大程度上限制了望远成像系统的应用。通常的做法是减小通光孔径，这样做虽然可以增大景深，但付出的代价是进光量同时被大大降低，截止频率也急剧下降。
发明内容
针对相关技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种可见光近红外层析化望远成像系统，旨在解决望远成像系统景深不足的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种可见光近红外层析化望远成像系统，包括长焦主透镜、电控液晶微光学结构、面阵光敏探测器、驱控模块和处理模块；其中，所述面阵光敏探测器划分为多个子面阵光敏探测器，所述子面阵光敏探测器包括多个光敏元；
所述长焦主透镜将远方物体进行一次压缩成像；
所述驱控模块为所述面阵光敏探测器和电控液晶微光学结构提供用于驱动和调控的电压信号；
所述电控液晶微光学结构将不同方向的目标光束进行离散化排布，并汇聚于所述光敏元上；
所述面阵光敏探测器将入射到光敏元上的特征光束转换为电信号；
所述处理模块将来自各光敏元的电信号进行量化处理，得到包含三维空间信息的序列子图像数据，通过建立电信号幅值与最佳物平面深度之间的数学关系，进行三维光场层析化成像。
进一步地，所述驱控模块调节电压的均方幅值时，所述电控液晶微光学结构的焦距变化，整个成像系统所对应的最佳物平面位置发生改变，从而得到电信号幅值与最佳物平面深度之间的数学关系。
进一步地，所述电控液晶微光学结构包括液晶层、图案化电极层和公共电极层；
所述图案化电极层和公共电极层分别设置于液晶层的两侧；
所述图案化电极层由导电膜构成，所述导电膜上设置有呈阵列分布的电极微孔，所述电极微孔具有两种以上的孔径大小，且孔径不同的电极微孔交替排列，孔径相同的电极微孔周期排列。
进一步地，所述导电膜上设置有m×n个呈阵列分布的电极微孔，所述面阵光敏探测器相应划分为m×n个呈阵列分布的子面阵光敏探测器，m、n均为大于1的整数。
进一步地，所述电极微孔为圆形、三角形、正方形、正五边形或正六边形。
进一步地，所述公共电极层包括导电透光膜。
进一步地，所述驱控模块将驱动和调控的电压信号加载在所述图案化电极层和公共电极层之间；当所述电压信号的均方幅值高于预设阈值时，所述电控液晶微光学结构等效为面阵液晶微透镜阵列。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：
1、本发明的望远成像系统在驱控模块的外加电压激励下，可在液晶微光学结构内部形成特定的空间电场分布，从而诱导液晶分子形成一种与宏观微透镜阵列相对应的特定空间折射率定向化分布，此液晶微透镜阵列对长焦物镜所成的像进行二次成像，可显著扩展望远成像系统景深范围，通常可扩展千米量级。此外，通过调节外加激励电压的均方幅值，可调控液晶微光学结构的焦距，当液晶微光学结构的焦距改变时，整个成像系统所对应的最佳物平面位置会发生改变，因而可建立电信号-目标深度的关系，从而进行电控层析化成像，进一步扩展景深。
2、通过激励特定空间电场以控制液晶微透镜焦距这一操作受外加电压的约束、干预或引导，具有智能化特征。而且，采用可精密电驱控的液晶微透镜阵列，具有极高的结构、电学以及电光参数的稳定性，具有控制精度高的特点。
3、本发明的可见光、近红外超景深望远成像系统的主体为封装在芯片外壳内的液晶微透镜阵列，其功能化厚度仅在微米量级，在光路中接插方便，易与常规光学光电机械结构匹配耦合。
附图说明
图1是本发明实施例的可见光近红外层析化望远成像系统的封装结构示意图；
图2是本发明实施例的可见光近红外层析化望远成像系统的的光学成像应用配置示意图；
图3是本发明实施例的可见光近红外层析化望远成像系统的电控液晶微光学结构示意图；
图4是在不同驱控电信号下具有不同聚光能力的液晶微透镜阵列示意图；
图5是典型的电极微孔结构示意图；
图6是液晶微透镜阵列的焦距随驱控电压信号幅值变化的示意图；
图7是电信号幅值-最佳物平面深度的关系示意图。
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。
为实现上述目的，本发明提供了一种可见光近红外层析化望远成像系统，包括长焦成像物镜、电控液晶微光学结构、面阵光电探测器和驱控模块和处理模块；
其中，长焦成像物镜用于将远方物体进行一次压缩成像；电控液晶微光学结构可以在驱控电压信号下，形成类抛物线状的梯度折射率分布，从而宏观表现为电控微透镜阵列；面阵光电探测器包括多个阵列分布的子面阵光电探测器，每个子面阵光电探测器包括数量和排列方式相同的多个阵列分布的光敏元；面阵电控液晶微透镜阵列与所述面阵光电探测器匹配耦合，每一单元电控液晶微透镜与一个子面阵光电探测器对应，构成电控复眼成像探测模态下的一个成像单眼；面阵电控液晶微透镜阵列用于将不同方向的目标光束进行离散化排布，并定向汇聚在与各单元电控液晶微透镜对应的子面阵光电探测器的光敏元上；面阵光电探测器将入射到多个子面阵光电探测器上的特征光束转换为电信号；处理模块用于将每个子面阵光电探测器的各光敏元的电信号归属到一个单眼的成像操作，通过对子面阵光电探测器的光电信号进行量化与处理，得到包含三维空间信息的序列子图像数据；所述驱控模块还可用于为所述面阵光电探测器、电控液晶微光学结构提供驱动和调控信号，驱动此两者工作，并对所述电控液晶微光学结构进行与幅值和频率相关的信号调控。
优选地，所述面阵电控液晶微透镜阵列与所述子面阵光电探测器均为M×N元，其中，M、N均为大于1的整数。
下面结合一个优选实施例，对上述实施例中涉及的内容进行说明。
图1是本发明实施例的可见光近红外层析化望远成像系统的封装结构示意图。如图所示，电控液晶微光学结构2和面阵光敏探测器3被同轴顺序排布并封装在陶瓷外壳1中，用于提供控制信号与驱动信号的并行线由端口4接入。指示灯5用于指示工作状态，当处在正常工作状态时，指示灯5闪烁。陶瓷外壳1的顶部设有一法兰盘6，用于连接长焦主透镜7从而将外界入射光场传输至电控液晶微光学结构执行控光操作。
图2是本发明实施例的可见光近红外层析化望远成像系统的光学成像应用配置示意图。如图所示，电控液晶微光学结构2位于长焦主透镜7与面阵光敏探测器3之间。长焦主透镜7将外界入射光场进行一次压缩成像，压缩后的外界入射光场由电控液晶微光学结构2进一步汇聚并投射到与其对应的子面阵光敏探测器3上。此外，通过调节施加在电控液晶微光学结构2上电压的均方幅值，可产生宏观焦距的电调控效能，从而对应于不同的最佳物平面，以实现层析化成像。
图3是本发明实施例的可见光近红外层析化望远成像系统中的电控微光学结构示意图。如图所示，电控液晶微光学结构包括液晶层24，依次设置在液晶层上表面的第一液晶定向层25、图案化电极层26、第一基片27和保护增透膜28，以及依次设置在液晶层24下表面的第二液晶定向层23、公共电极层22和第二基片21。其中，液晶层为微米级厚度，液晶定向层为纳米级厚度，基片为数百微米量级的石英基片，保护增透膜通过陶瓷外壳1上的法兰盘6裸露在外，用于接收入射光场。
电控液晶微光学结构随所施加的电压信号情况可表现为面阵电控液晶微透镜阵列。具体地，其主要功能结构包括：(一)在上下表面分别制有保护增透膜以及图案电极的顶层基片结构；(二)在单侧外表面制有公共电极的底层基片结构；(三)在两个基片间所充满的微米级厚度液晶材料。该图同时给出了与电控液晶微光学结构相匹配的面阵光敏探测器的结构配置情况。当图案化电极层与公共电极层之间所加载的信号电压的均方幅值大于阈值时，激励出的空间电场可对液晶分子施加转向作用，液晶分子的转向程度受电场强弱及其方向的影响，电控液晶微光学结构将表现为面阵电控液晶微透镜阵列。图中用具有凸轮廓形态的折射微透镜阵列来形象显示液晶汇聚微透镜的折射率分布特征。图4示出了在不同驱控电信号下具有不同聚光能力的液晶微透镜阵列。
公共电极层由导电透光膜构成，如图5所示，图案化电极层26由导电膜262构成，导电膜中设置有m×n元阵列分布的电极微孔261(其中m、n均为大于1的整数)，且不同孔径的电极微孔交替排列，相同孔径的电极微孔周期排列。导电膜中设置有两种及两种以上孔径的电极微孔。需要说明的是，本实施例中周期交替排列的电极微孔可由两种及两种以上不同孔径的微孔组成；此外，微孔既可以为圆孔，也可以为三角形孔、正方形孔、正五边形孔、正六边形孔等。
在图案化电极层和公共电极层之间所加载的信号电压的均方幅值高于阈值时，电控液晶微光学结构等效为面阵液晶微透镜阵列，面阵电控液晶微透镜由m×n元阵列分布的单元电控液晶微透镜构成，单元电控液晶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微透镜的中心，形成单元电控液晶微透镜的上电极，所有单元电控液晶微透镜的下电极由公共电极层提供。面阵光敏探测器被划分为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微透镜之间存在一一对应的关系，以避免串扰。
下面详细说明本发明实施例的可见光近红外层析化望远成像系统的工作过程。首先，一组可提供驱控、控制信号与数据传输的并行线接入端口，然后分别输入面阵光敏探测器工作的驱控信号，以及驱控电控液晶微光学结构工作的具有特征频率、幅值所述、占空比的时序电压信号，此时成像系统工作在三维光场成像模式；其采集的图像数据通过接入到端口上的并行线输出；在上述工作过程中，指示灯持续闪烁。
具体地，在图形化电极层和公共电极层之间加载的信号电压高于某一阈值时，液晶层的液晶分子在电场的驱控下形成特定的空间排布形态，从而产生对奇异光的梯度等效折射率分布，电控液晶微光学结构宏观等效为面阵电控液晶微透镜阵列，其清晰成像的空间分辨率由面阵液晶微透镜阵列的规模决定，通过调节信号电压的均方幅值调变液晶分子的空间排布形态，进而调变面阵液晶微透镜阵列的单元电控液晶微透镜的聚光能力，使得此种三维光场成像具备电控调变的效能；通过搭建光学测试系统，可以有效地获取液晶微透镜阵列的焦距与驱控电压信号幅值的关系，通常，在恰当的驱控电压信号下，随着驱控电压信号幅值的升高，单元液晶微透镜聚光能力逐渐增强，从而使得有效焦距逐渐减小，图6给出了液晶微透镜阵列的焦距随驱控电压信号幅值变化的示意图；当单元液晶微透镜的聚光能力发生改变时，由几何光学知识可知，成像系统所对应的最佳物平面会发生改变，由于液晶分子在外电场驱控下具有极佳的稳定性，因而可建立电信号幅值-最佳物平面深度的数学关系，以产生层析化的三维光场成像效能，图7给出了电信号幅值-最佳物平面深度的示意图。
本发明的景深扩展的液晶基光场成像探测芯片，采用电控方式驱控电控液晶微光学结构执行电控多焦距成像探测效能，具有聚光能力可电调、层析化成像、响应速度快、二次扩展景深的特点。
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 (7)

1.一种可见光近红外层析化望远成像系统，其特征在于，包括长焦主透镜、电控液晶微光学结构、面阵光敏探测器、驱控模块和处理模块；其中，所述面阵光敏探测器划分为多个子面阵光敏探测器，所述子面阵光敏探测器包括多个光敏元；
所述长焦主透镜将远方物体进行一次压缩成像；
所述驱控模块为所述面阵光敏探测器和电控液晶微光学结构提供用于驱动和调控的电压信号；
所述电控液晶微光学结构将不同方向的目标光束进行离散化排布，并汇聚于所述光敏元上；
所述面阵光敏探测器将入射到光敏元上的特征光束转换为电信号；
所述处理模块将来自各光敏元的电信号进行量化处理，得到包含三维空间信息的序列子图像数据，通过建立电信号幅值与最佳物平面深度之间的数学关系，进行三维光场层析化成像。
2.如权利要求1所述的可见光近红外层析化望远成像系统，其特征在于，所述驱控模块调节电压的均方幅值时，所述电控液晶微光学结构的焦距变化，整个成像系统所对应的最佳物平面位置发生改变，从而得到电信号幅值与最佳物平面深度之间的数学关系。
3.如权利要求1所述的可见光近红外层析化望远成像系统，其特征在于，所述电控液晶微光学结构包括液晶层、图案化电极层和公共电极层；
所述图案化电极层和公共电极层分别设置于液晶层的两侧；
所述图案化电极层由导电膜构成，所述导电膜上设置有呈阵列分布的电极微孔，所述电极微孔具有两种以上的孔径大小，且孔径不同的电极微孔交替排列，孔径相同的电极微孔周期排列。
4.如权利要求3所述的可见光近红外层析化望远成像系统，其特征在于，所述导电膜上设置有m×n个呈阵列分布的电极微孔，所述面阵光敏探测器相应划分为m×n个呈阵列分布的子面阵光敏探测器，m、n均为大于1的整数。
5.如权利要求4所述的可见光近红外层析化望远成像系统，其特征在于，所述电极微孔为圆形、三角形、正方形、正五边形或正六边形。
6.如权利要求3所述的可见光近红外层析化望远成像系统，其特征在于，所述公共电极层包括导电透光膜。
7.如权利要求3所述的可见光近红外层析化望远成像系统，其特征在于，所述驱控模块将驱动和调控的电压信号加载在所述图案化电极层和公共电极层之间；当所述电压信号的均方幅值高于预设阈值时，所述电控液晶微光学结构等效为面阵液晶微透镜阵列。
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