CN113873134A - 一种中远红外层析化景深扩展成像系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种中远红外层析化景深扩展成像系统，属于中远红外成像探测领域，包括：依次固定设置的红外成像物镜、液晶红外微光学结构和面阵红外光电探测器；液晶红外微光学结构的图案化电极层中，不同孔径的电极微孔交替分布，相同孔径的电极微孔周期分布；当施加在图案化电极层和公共电极层之间的信号电压的均方幅值高于均方幅值阈值时，液晶红外微光学结构具有多个焦距，用于对红外成像物镜传输的一次像进行第二次成像，并透射至面阵红外光电探测器；面阵红外光电探测器将接收到的入射光场的光信号转换为电信号，以得到层析化图像数据。可以扩展中远红外成像系统的景深范围，并实现层析化成像。
Description
技术领域
本发明属于中远红外成像探测领域，更具体地，涉及一种中远红外层析化景深扩展成像系统。
背景技术
红外焦平面成像探测技术通过将红外电荷耦合器件、互补金属氧化物半导体或焦平面组件等面阵光敏结构放置于成像光学系统的焦面处，来对物空间进行成像探测。成像时，需根据物距情况确定光学成像系统的焦长，从而对特定物距处的目标进行对焦。这种成像方式仅可对特定物距范围内的目标进行清晰成像，这一特定物距范围被称为景深。现有常规光学成像系统的景深极为有限，成像视场中景深范围外的目标是模糊的。
当成像视场中目标物物距分散较大时，需要利用变焦系统调节焦长，以获取多物距深度对应的清晰图像。现有技术中，机械变焦系统存在转换时间长、长焦成像质量降低和视场收缩等缺陷；多焦长并行模式的架构则存在系统结构复杂、外形尺寸较大、成本较高与图像匹配复杂等问题。除此之外，电子变焦通常仅仅通过处理图像数据，基于各种算法凸显变焦特征，效能较为有限。在中、远红外波段，各类光学元件成本昂贵且种类有限，因此，现有可见光波段的先进成像探测架构难以在中、远红外波段应用。如今，基于面阵红外探测器不断改进、完善和升级，如何进一步实现单焦长/大景深兼容的成像探测架构，已成为先进红外成像探测技术所亟需解决的问题。
发明内容
针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种中远红外层析化景深扩展成像系统，其目的在于扩展中远红外成像系统的景深范围，并实现层析化成像。
为实现上述目的，本发明提供了一种中远红外层析化景深扩展成像系统，其特征在于，包括：沿光路传输方向依次固定设置的红外成像物镜、液晶红外微光学结构和面阵红外光电探测器；所述液晶红外微光学结构包括：红外液晶材料层以及分别设置在所述红外液晶材料层两侧的图案化电极层和公共电极层；所述图案化电极层由设置有阵列分布的电极微孔的导电膜组成，不同孔径的电极微孔交替分布，相同孔径的电极微孔周期分布；所述红外成像物镜用于对成像视场中的物空间进行第一次压缩成像并传输至所述液晶红外微光学结构；当施加在所述图案化电极层和所述公共电极层之间的信号电压的均方幅值高于均方幅值阈值时，所述液晶红外微光学结构具有多个不同的焦距，用于对接收到的一次像进行第二次成像并透射至所述面阵红外光电探测器；所述面阵红外光电探测器用于将接收到的入射光场的光信号转换为电信号，以得到层析化图像数据。
更进一步地，所述液晶红外微光学结构被电极微孔划分为多个单元电控液晶红外微透镜，各所述电极微孔位于对应单元电控液晶红外微透镜的中心；所述面阵红外光电探测器包括多个子面阵红外光电探测器；所述单元电控液晶红外微透镜与所述子面阵红外光电探测器一一对应匹配耦合并构成相应的成像单眼。
更进一步地，还包括驱控模块；所述驱控模块用于对各所述子面阵红外光电探测器的电信号进行单眼成像操作，并调节所述信号电压的均方幅值，以得到所述层析化图像数据。
更进一步地，所述驱控模块还用于在层析化成像过程中调节所述信号电压的均方幅值，以调节所述液晶红外微光学结构中的焦距分布，使得所述层析化图像数据清晰度最高。
更进一步地，还包括陶瓷外壳，所述陶瓷外壳的侧表面设置有法兰盘，所述法兰盘用于将所述红外成像物镜连接至所述陶瓷外壳的侧表面外部；沿所述红外成像物镜的连接方向，所述液晶红外微光学结构和面阵红外光电探测器依次被同轴封装在所述陶瓷外壳中。
更进一步地，所述液晶红外微光学结构依次包括：保护增透膜、第一基片、所述图案化电极层、第一液晶定向层、所述红外液晶材料层、第二液晶定向层、所述公共电极层和第二基片；其中，所述第一基片和第二基片为毫米量级的硒化锌基片。
更进一步地，所述红外液晶材料层的厚度为几十微米至数百微米的量级。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：通过设计具有周期性交叠电极微孔结构的图案化电极层，当图案化电极层和公共电极层之间加载的信号电压的均方幅值高于均方幅值阈值时，红外液晶材料层的红外液晶分子在电场驱控下形成特定的空间排布形态，对应于不同孔径电极微孔下的红外液晶分子将会产生不同的空间排布形态，宏观上可形成梯度折射率分布，一种梯度折射率对应一种等效焦距，从而产生不同的宏观焦距，此时液晶红外微光学结构等效为面阵多焦距红外液晶微透镜阵列，等效于对景深范围进行二次扩展，可获取更大的景深范围；红外成像物镜对成像视场中的物空间进行第一次压缩成像，红外液晶微透镜阵列对一次像进行二次成像，可进一步扩展孔外成像系统的景深范围，使得光场相机可以对视场中更广阔深度范围内的三维物空间场景进行清晰的层析化成像。
附图说明
图1为本发明实施例提供的中远红外层析化景深扩展成像系统的光学成像应用配置示意图；
图2为图1所示中远红外层析化景深扩展成像系统中液晶红外微光学结构和面阵红外光电探测器的组合示意图；
图3为图1所示中远红外层析化景深扩展成像系统的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的液晶红外微光学结构的结构示意图；
图5为图4所示液晶红外微光学结构中图案化电极层的电极微孔示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或者结构，其中：
1为红外成像物镜，2为液晶红外微光学结构，21为第二基片，22为公共电极层，23为第二液晶定向层，24为红外液晶材料层，25为第一液晶定向层，26为图案化电极层，26A为电极微孔，26B为导电膜，27为第一基片，28为保护增透膜，3为面阵红外光电探测器，4为陶瓷外壳，5为法兰盘，6为端口，7为指示灯。
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。
在本发明中，本发明及附图中的术语“第一”、“第二”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。
图1为本发明实施例提供的中远红外层析化景深扩展成像系统的光学成像应用配置示意图。红外分为近红外、中红外和远红外，本实施例中提供的是一种在中红外层和远红外层实现层析化景深扩展成像的系统。参阅图1，结合图2-图5，对本实施例中中远红外层析化景深扩展成像系统进行详细说明。
参阅图1，中远红外层析化景深扩展成像系统包括红外成像物镜1、液晶红外微光学结构2和面阵红外光电探测器3。红外成像物镜1、液晶红外微光学结构2和面阵红外光电探测器3沿光路传输方向依次固定设置。
液晶红外微光学结构2包括红外液晶材料层24以及分别设置在红外液晶材料层24两侧的图案化电极层26和公共电极层22。参阅图5，图案化电极层26由设置有阵列分布的电极微孔26A的导电膜26B组成，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，如图5所示两种不同孔径的电极微孔周期交替排列形成的图案化电极层26。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。
当图案化电极层26和公共电极层22之间施加的信号电压的均方幅值高于均方幅值阈值时，不同孔径电极微孔下红外液晶材料层24中的红外液晶分子呈不同空间排布形态，因而其产生的宏观焦距并不相同，以在红外液晶材料层24中形成与周期交替阵列分布对应的梯度折射率分布，一种梯度折射率对应于一种等效焦距，使得液晶红外微光学结构2在同一时刻具有多个焦距，多焦距可二次扩展景深范围，从而对视场中更广阔深度范围内的物体进行清晰成像。电控的液晶红外微光学结构2清晰成像的空间分辨率由其规模决定，可以通过调节信号电压的均方幅值改变液晶分子的空间排布形态，进而调节面阵多焦距液晶微透镜阵列的单元电控液晶红外微透镜的聚光能力，使得此种三维光场成像具备电控调变的效能，以产生层析化成像效能。
中远红外层析化景深扩展成像系统中，红外成像物镜1用于对成像视场中的物空间进行第一次压缩成像并传输至液晶红外微光学结构；当施加在图案化电极层和公共电极层之间的信号电压的均方幅值高于均方幅值阈值时，液晶红外微光学结构2具有多个不同的焦距，用于对接收到的一次像进行第二次成像并透射至面阵红外光电探测器3；面阵红外光电探测器3用于将接收到的入射光场的光信号转换为电信号，以得到层析化图像数据。
根据本发明的实施例，液晶红外微光学结构2依次包括保护增透膜28、第一基片27、图案化电极层26、第一液晶定向层25、红外液晶材料层24、第二液晶定向层23、公共电极层22和第二基片21，如图4所示。其中，第一基片27和第二基片21为毫米量级的硒化锌基片。红外液晶材料层24的厚度为几十微米至数百微米的量级。
本实施例中的液晶红外微光学结构为电控结构，其随所施加的电压信号情况可表现为面阵多焦距液晶红外微透镜阵列。其主要功能结构包括：在两个外表面分别制有保护膜/光增透膜以及图案电极的顶层基片结构；在单侧外表面制有公共电极的底层基片结构；在两个基片间所充满的微米级厚度红外液晶材料。当图案化电极层26与公共电极层22之间所加载的信号电压的均方幅值高于均方幅值阈值时，信号电压激励出的空间电场可对红外液晶分子施加转向作用，红外液晶分子的转向程度受电场强弱及其空间指向的影响，电控的液晶红外微光学结构将表现为面阵多焦距液晶红外微透镜阵列，图4中利用具有凸轮廓形态的折射红外微透镜阵列来形象地显示液晶红外汇聚微透镜的折射率分布特征。面阵多焦距液晶红外微透镜阵列由m×n元阵列分布的单元电控液晶红外微透镜构成，m×n为电极微孔组成的阵列分布的尺寸。单元电控液晶红外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红外微透镜的中心，形成单元电控液晶红外微透镜的上电极，所有单元电控液晶红外微透镜的下电极由公共电极层22提供。
根据本发明的实施例，液晶红外微光学结构2被电极微孔划分为多个单元电控液晶红外微透镜，各电极微孔位于对应单元电控液晶红外微透镜的中心。面阵红外光电探测器3包括多个子面阵红外光电探测器。单元电控液晶红外微透镜与子面阵红外光电探测器一一对应匹配耦合并构成相应的成像单眼，从而避免串扰。面阵红外光电探测器被划分为m×n元阵列分布的子面阵红外光电探测器，子面阵红外光电探测器与单元电控液晶红外微透镜一一对应，电控的液晶红外微光学结构与面阵红外光电探测器之间的结构配置情况如图2和图4所示。
子面阵红外光电探测器包括多个呈阵列分布的红外光敏元，各单元电控液晶红外微透镜用于将光束入射到相应的子面阵红外光电探测器的红外光敏元上。具体地，液晶红外微光学结构对不同方向的目标光束进行离散化排布，并定向汇聚到各单元电控液晶红外微透镜对应的子面阵红外光电探测器的相应的红外光敏元上。各子面阵红外光电探测器用于将接收到的光束转换为电信号。
中远红外层析化景深扩展成像系统还包括驱控模块。驱控模块用于对各子面阵红外光电探测器的电信号进行单眼成像操作，以得到层析化图像数据。具体地，驱控模块用于对各电信号进行单眼成像，以得到相应的包含三维空间信息的序列子图像数据，并调节施加在公共电极层和图案化电极层之间的调控信号，使得此种三维广场成像具备调变的效能，以产生层析化成像效能。驱控模块还用于为液晶红外微光学结构提供驱动信号和可调节的调控信号，以驱动液晶红外微光学结构工作，该调控信号即为图4所示实施例中的信号电压，以对液晶红外微光学结构进行与幅值和频率相关的信号调控。进一步地，驱控模块还用于持续调节信号电压的均方幅值，以调节液晶红外微光学结构中的焦距分布，直至层析化图像数据清晰度最高。
根据本发明的实施例，中远红外层析化景深扩展成像系统还包括陶瓷外壳4。陶瓷外壳4的侧表面设置有法兰盘5，法兰盘5用于将红外成像物镜1连接至陶瓷外壳的侧表面外部。沿红外成像物镜的连接方向，液晶红外微光学结构2和面阵红外光电探测器3依次被同轴封装在陶瓷外壳中。
参阅图3，陶瓷外壳4的表面设置有端口6，驱控模块中用于提供驱动信号和调控信号的并行线由端口6接入陶瓷外壳4内部，并进一步连接至液晶红外微光学结构2和面阵红外光电探测器3。陶瓷外壳4的表面还可以设置有指示灯7，用于指示中远红外层析化景深扩展成像系统的工作状态，当中远红外层析化景深扩展成像系统处于正常工作状态时，指示灯闪烁。
中远红外层析化景深扩展成像系统的工作过程为：首先，一组可提供驱控信号、调控信号和数据传输的并行线接入端口；然后分别输入驱控面阵红外光电探测器工作的电子学信号，以及驱控液晶红外微光学结构工作的具有特征频率、幅值、占空比的时序电压信号，此时，中远红外层析化景深扩展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。上述工作过程中，指示灯持续闪烁。
此外，本实施例中提供的中远红外层析化景深扩展成像系统还可用于测量目标物体的深度。测量之前应该通过实验获取该中远红外层析化景深扩展成像系统的电信号均方幅值-最佳物平面深度之间的关系。具体地，通过搭建光学测试系统，可以有效获取红外液晶微透镜阵列的焦距与驱控电压信号均方幅值的关系；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也会发生改变，因此，可以相应地获取驱控电压信号均方幅值与最佳物平面深度的关系，从而建立电信号均方幅值-最佳物平面深度之间的数学关系。测量目标物体的深度，根据对该目标物体进行层析化成像时所需要施加的电信号的均方幅值，确定目标物体各层的平面深度，计算最大平面深度与最小平面深度之间的差值，从而得到该目标物体的深度。
综上所述，本发明实施例中提供的中远红外层析化景深扩展成像系统具有以下优点：基于多焦距红外微透镜阵列与电控调焦进行景深扩展，可显著扩展景深范围；通过约束、干预或引导外加电压控制焦距，使其具有智能化驱控的特征，并能实现层析化成像；具有极高的结构、电学以及电光参数的稳定性，控制精度高；通过电场驱动红外液晶分子形成特定排布以实现入射光汇聚，红外液晶分子在宽谱域具有双折射特性，因而具有宽谱域成像探测的特点。
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)
1.一种中远红外层析化景深扩展成像系统，其特征在于，包括：沿光路传输方向依次固定设置的红外成像物镜、液晶红外微光学结构和面阵红外光电探测器；
所述液晶红外微光学结构包括：红外液晶材料层以及分别设置在所述红外液晶材料层两侧的图案化电极层和公共电极层；所述图案化电极层由设置有阵列分布的电极微孔的导电膜组成，不同孔径的电极微孔交替分布，相同孔径的电极微孔周期分布；
所述红外成像物镜用于对成像视场中的物空间进行第一次压缩成像并传输至所述液晶红外微光学结构；当施加在所述图案化电极层和所述公共电极层之间的信号电压的均方幅值高于均方幅值阈值时，所述液晶红外微光学结构具有多个不同的焦距，用于对接收到的一次像进行第二次成像并透射至所述面阵红外光电探测器；所述面阵红外光电探测器用于将接收到的入射光场的光信号转换为电信号，以得到层析化图像数据。
2.如权利要求1所述的中远红外层析化景深扩展成像系统，其特征在于，所述液晶红外微光学结构被电极微孔划分为多个单元电控液晶红外微透镜，各所述电极微孔位于对应单元电控液晶红外微透镜的中心；
所述面阵红外光电探测器包括多个子面阵红外光电探测器；所述单元电控液晶红外微透镜与所述子面阵红外光电探测器一一对应匹配耦合并构成相应的成像单眼。
3.如权利要求2所述的中远红外层析化景深扩展成像系统，其特征在于，还包括驱控模块；所述驱控模块用于对各所述子面阵红外光电探测器的电信号进行单眼成像操作，并调节所述信号电压的均方幅值，以得到所述层析化图像数据。
4.如权利要求3所述的中远红外层析化景深扩展成像系统，其特征在于，所述驱控模块还用于在层析化成像过程中调节所述信号电压的均方幅值，以调节所述液晶红外微光学结构中的焦距分布，使得所述层析化图像数据清晰度最高。
5.如权利要求1所述的中远红外层析化景深扩展成像系统，其特征在于，还包括陶瓷外壳，所述陶瓷外壳的侧表面设置有法兰盘，所述法兰盘用于将所述红外成像物镜连接至所述陶瓷外壳的侧表面外部；
沿所述红外成像物镜的连接方向，所述液晶红外微光学结构和面阵红外光电探测器依次被同轴封装在所述陶瓷外壳中。
6.如权利要求1所述的中远红外层析化景深扩展成像系统，其特征在于，所述液晶红外微光学结构依次包括：保护增透膜、第一基片、所述图案化电极层、第一液晶定向层、所述红外液晶材料层、第二液晶定向层、所述公共电极层和第二基片；其中，所述第一基片和第二基片为毫米量级的硒化锌基片。
7.如权利要求1-6任一项所述的中远红外层析化景深扩展成像系统，其特征在于，所述红外液晶材料层的厚度为几十微米至数百微米的量级。
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