CN202947797U - 混合集成面阵液晶微透镜与红外探测器的波前测量芯片 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种混合集成面阵液晶微透镜与红外探测器的波前测量芯片，包括陶瓷外壳和金属散热板，陶瓷外壳后部设置于金属散热板顶部，还包括驱控与波前预处理模块、面阵非制冷红外探测器、以及面阵电控液晶微透镜，驱控与波前预处理模块、面阵非制冷红外探测器、以及面阵电控液晶微透镜同轴顺序设置于陶瓷外壳内，驱控与波前预处理模块设置于陶瓷外壳后部与金属散热板连接处，面阵非制冷红外探测器设置于驱控与波前预处理模块顶部，每单元电控液晶微透镜与多个顺序排列的非制冷红外探测器构成的子红外探测器阵列对应。本实用新型结构紧凑，使用方便，覆盖多个红外谱段，具有红外波前的测量范围大、精度高、目标与环境适应性好等特点。

Description

混合集成面阵液晶微透镜与红外探测器的波前测量芯片

技术领域

本实用新型属于红外成像探测技术领域，更具体地，涉及一种混合集成面阵液晶微透镜与红外探测器的波前测量芯片。

背景技术

随着红外光学/光电图像模拟、仿真、显示和成像探测技术的迅速发展，高精度测量目标、景物的红外辐射波前信息，获得与目标运动特征或复杂背景相关的红外波前的迁移、演化、扰动甚至畸变行为，目前受到了广泛关注和重视。迄今为止，已发展了多种波前获取方法，在测量波前物理效应基础上，通过特定算法解算测量数据从而反演出波前。关键性的波前测量组件则经历了从体积质量功耗较大的组合装置，进一步小型化，以及目前的芯片化这样的转变。波前的测量精度得到逐步提高，测量范围逐渐扩大，测试环境从实验室进一步扩展到了野外场所。基于SH（Shack-Hartmann）波前测量效应的折射/衍射微透镜阵列与面阵探测器已实现混合、单片集成。所测量的电磁波谱从可见光进一步扩展到了红外谱域。

尽管如此，现有基于SH效应的波前测量芯片具有下述缺陷：（一）芯片仍需配置体积和功耗较大的驱控和光电信息预处理装置；（二）无可调变波前测量能力，无法根据目标的辐射、运动及背景情况，增大或减小子平面波前倾角的测量范围，也就是目标波前的变动范围；（三）辐照适应性差，无法通过光学手段调变探测器接收的辐射通量，以及降低微透镜间的光波串扰；（四）环境适应性不足，无法通过调变焦斑位置，即调变子平面波前的倾角，使因环境或对抗性因素引发的波前改变，得到调整、较正甚至复原，从而降低甚至剔除环境因素对波前测量的影响。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种混合集成面阵液晶微透镜与红外探测器的波前测量芯片，其具有红外波前的测量范围大、精度高，可覆盖多个红外谱段，目标和环境适应性好，体积和质量小，易与其它光学/光电/机械结构耦合的特点。

为实现上述目的，本实用新型提供了一种混合集成面阵液晶微透镜与红外探测器的波前测量芯片，包括陶瓷外壳和金属散热板，陶瓷外壳后部设置于金属散热板顶部，还包括驱控与波前预处理模块、面阵非制冷红外探测器、以及面阵电控液晶微透镜，驱控与波前预处理模块、面阵非制冷红外探测器、以及面阵电控液晶微透镜同轴顺序设置于陶瓷外壳内，驱控与波前预处理模块设置于陶瓷外壳后部与金属散热板连接处，面阵非制冷红外探测器设置于驱控与波前预处理模块顶部，面阵电控液晶微透镜设置于面阵非制冷红外探测器顶部，每单元电控液晶微透镜与多个顺序排列的非制冷红外探测器构成的子红外探测器阵列对应，各子红外探测器阵列具有相同的探测器数量和排布方式，子红外探测器阵列的数量与面阵电控液晶微透镜的阵列规模一致，面阵电控液晶微透镜用于接收目标红外光波，根据其阵列规模将目标红外光波的波前，离散化成以倾角表征的子平面波前阵列，并将各子平面波前聚焦到相应的子红外探测器阵列上，子红外探测器阵列用于将子平面波前转换为电响应信号，驱控与波前预处理模块用于将电响应信号进行量化和非均匀性校正处理，并对处理后的电响应信号基于波前复原算法解算，以得到红外波前数据。

陶瓷外壳的侧面设置有驱控信号输出端口，其与探测器驱控信号输入端口电连接，用于输出驱控与波前预处理模块提供给面阵非制冷红外探测器的驱控和调控信号,陶瓷外壳的侧面设置有第一指示灯，其与驱控与波前预处理模块电连接，用于显示驱控与波前预处理模块处在正常工作状态,陶瓷外壳的侧面设置有探测器驱控信号输入端口，其与驱控信号输出端口电连接，用于输入面阵非制冷红外探测器的驱动和调控信号,陶瓷外壳的侧面设置有第二指示灯，其与驱控与波前预处理模块电连接，用于显示面阵非制冷红外探测器处在正常工作状态,陶瓷外壳的侧面设置有微透镜驱控信号输入端口，其与驱控信号输出端口电连接，用于输入面阵电控液晶微透镜的驱动和调控信号,陶瓷外壳的侧面设置有第三指示灯，其与驱控与波前预处理模块电连接，用于显示面阵电控液晶微透镜处在正常工作状态,陶瓷外壳的侧面设置有电源端口，用于接入电源线以与外部电源连接,陶瓷外壳的侧面设置有第七指示灯，其与驱控与波前预处理模块电连接，用于显示电源已接通,陶瓷外壳的侧面设置有通讯端口，用于与外部电子装置连接以接收工作指令,陶瓷外壳的侧面设置有第八指示灯，其与驱控与波前预处理模块电连接，用于显示通讯端口处在正常工作状态。

陶瓷外壳的底面设置有波前测量信号输出端口，其与测量信号输入端口电连接，用于输出面阵非制冷红外探测器的光电响应信号至驱控与波前预处理模块,陶瓷外壳的底面设置有第四指示灯，其与驱控与波前预处理模块电连接，用于显示面阵非制冷红外探测器处在正常的信号输出状态,陶瓷外壳的底面设置有测量信号输入端口，其与波前测量信号输出端口电连接，用于将面阵非制冷红外探测器的光电响应信号引入驱控与波前预处理模块,陶瓷外壳的底面设置有第五指示灯，其与驱控与波前预处理模块电连接，用于显示驱控与波前预处理模块处在正常的数据输入状态,陶瓷外壳的底面设置有红外波前数据输出端口，用于输出所测量的红外波前数据,陶瓷外壳的底面设置有第六指示灯，其与驱控与波前预处理模块电连接，用于显示驱控与波前预处理模块处在正常的数据输出状态。

驱控与波前预处理模块采用SoC和FPGA的结构。

驱控与波前预处理模块还用于为面阵电控液晶微透镜、以及面阵非制冷红外探测器提供驱动和调控信号。

面阵电控液晶微透镜还用于根据调控信号改变其焦长和通光孔径，以调控目标红外光波的波前的测量范围与效能。

对处理后的电响应信号基于波前复原算法解算步骤具体为：

（1）在面阵电控液晶微透镜中，位于光入射面上的左起上数横向第i行、纵向第j列的单元微透镜，将相应的子平面波前汇聚到与其对应的子红外探测器阵列上，汇聚光斑的光学质心座标(x_i,j，y_i，j)，分别满足关系式 $x_{i,j}=\frac{\∫\∫x{I}_{i,j}(x,y)\mathrm{dxdy}}{{\∫\∫I}_{i,j}(x,y)\mathrm{dxdy}}$ 和

式中的x和y为横向和纵向座标，I_i,j(x,y)表示与第i行第j列微透镜对应的子红外探测器阵列上的光强分布函数，积分操作覆盖子红外探测器阵列的所有光敏区域；

（2）将汇聚光斑的光学质心位置数据，分别带入关系式

和

后，以得到子平面波前的倾角φ，其中h为电控液晶微透镜与子红外探测器光敏面之间的距离；

（3）将上述操作施加于电控液晶微透镜阵列，以复原红外入射波前。

通过本实用新型所构思的以上技术方案，与现有技术相比，具有以下的有益效果：

1、测量精度高，由于本实用新型采用面阵电控液晶微透镜和面阵非制冷红外探测器，它们均具有极高的阵列规模并被混合集成而具有极高的结构稳定性，所以本实用新型具有测量精度高的优点；

2、测量范围大，由于本实用新型采用了焦长和通光孔径电调变的面阵电控液晶微透镜，其具有动态变焦和电调能量利用率的特点，所以本实用新型具有波前的测量范围大的优点；

3、目标和环境适应性好，由于本实用新型采用了光学性能可快速调变的面阵电控液晶微透镜，可根据环境和目标情况对入射光波进行快速变换，所以本实用新型具有目标和环境适应性好的优点；

4、探测谱域宽，由于本实用新型采用了面阵非制冷红外探测器，可以对1-3μm、3-5μm以及8-14μm等谱段的红外光波进行探测，所以本实用新型具有探测谱域宽的优点；

5、使用方便，由于本实用新型采用了集成面阵电控液晶微透镜、面阵非制冷红外探测器、以及驱控与波前预处理模块这样的体系架构，所以本实用新型具有接插方便，易与光学系统、其它电子学和机械装置耦合的优点。

附图说明

图1是本实用新型的混合集成面阵液晶微透镜与红外探测器的波前测量芯片的结构示意图。

图2是本实用新型的混合集成面阵液晶微透镜与红外探测器的波前测量芯片的原理示意图。

图1中：1-驱控信号输出端口，2-第一指示灯，3-驱控与波前预处理模块，4-探测器驱控信号输入端口，5-第二指示灯，6-面阵非制冷红外探测器，7-微透镜驱控信号输入端口，8-第三指示灯，9-面阵电控液晶微透镜，10-第四指示灯，11-波前测量信号输出端口，12-第五指示灯，13-测量信号输入端口，14-第六指示灯，15-红外波前数据输出端口，16-电源端口，17-通讯端口，18-陶瓷外壳，19-金属散热板，20-第七指示灯，21-第八指示灯。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型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用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

如图1所示，本实用新型的混合集成面阵液晶微透镜与红外探测器的波前测量芯片包括陶瓷外壳18、金属散热板19、驱控与波前预处理模块3、面阵非制冷红外探测器6、以及面阵电控液晶微透镜9。

陶瓷外壳18后部设置于金属散热板19顶部。

驱控与波前预处理模块3、面阵非制冷红外探测器6、以及面阵电控液晶微透镜9同轴顺序设置于陶瓷外壳18内。

驱控与波前预处理模块3设置于陶瓷外壳18后部与金属散热板19连接处，驱控与波前预处理模块3采用SoC和FPGA的结构。

面阵非制冷红外探测器6设置于驱控与波前预处理模块3顶部。

面阵电控液晶微透镜9设置于面阵非制冷红外探测器6顶部。

每单元电控液晶微透镜与多个顺序排列的非制冷红外探测器构成的子红外探测器阵列对应，各子红外探测器阵列具有相同的探测器数量和排布方式，子红外探测器阵列的数量与面阵电控液晶微透镜9的阵列规模一致。

面阵电控液晶微透镜9用于接收目标红外光波，根据其阵列规模将目标红外光波的波前，离散化成以倾角表征的子平面波前阵列，并将各子平面波前聚焦到相应的子红外探测器阵列上。

子红外探测器阵列用于将子平面波前转换为电响应信号；

驱控与波前预处理模块3用于将电响应信号进行量化和非均匀性校正处理，并对处理后的电响应信号基于波前复原算法解算，以得到红外波前数据。

具体计算过程如下：

在面阵电控液晶微透镜9中，位于光入射面上的左起上数横向第i行、纵向第j列的单元微透镜，将相应的子平面波前汇聚到与其对应的子红外探测器阵列上。汇聚光斑的光学质心座标(x_i，j，y_i,j)，分别满足关系式 $x_{i,j}=\frac{\∫\∫x{I}_{i,j}(x,y)\mathrm{dxdy}}{{\∫\∫I}_{i,j}(x,y)\mathrm{dxdy}}$ 和

式中的x和y为横向和纵向座标，I_i,j(x,y)表示与第i行第j列微透镜对应的子红外探测器阵列上的光强分布函数，积分操作覆盖子红外探测器阵列的所有光敏区域。将汇聚光斑的光学质心位置数据，分别带入关系式和

后，子平面波前的倾角φ即可得到。将上述操作施加于整个微透镜阵列后，红外入射波前即可被复原出来。上述关系式中的h为电控液晶微透镜与子红外探测器光敏面之间的距离，上述计算流程为波前复原算法的核心内容。

驱控与波前预处理模块3还用于为面阵电控液晶微透镜9、以及面阵非制冷红外探测器6提供驱动和调控信号。

面阵电控液晶微透镜9还用于根据调控信号改变其焦长和通光孔径，以调控目标红外光波的波前的测量范围与效能。

陶瓷外壳18的侧面设置有驱控信号输出端口1，其与探测器驱控信号输入端口4电连接，用于输出驱控与波前预处理模块3提供给面阵非制冷红外探测器6的驱控和调控信号。

陶瓷外壳18的侧面设置有第一指示灯2，其与驱控与波前预处理模块3电连接，用于显示驱控与波前预处理模块3处在正常工作状态。

陶瓷外壳18的侧面设置有探测器驱控信号输入端口4，其与驱控信号输出端口1电连接，用于输入面阵非制冷红外探测器6的驱动和调控信号。

陶瓷外壳18的侧面设置有第二指示灯5，其与驱控与波前预处理模块3电连接，用于显示面阵非制冷红外探测器6处在正常工作状态。

陶瓷外壳18的侧面设置有微透镜驱控信号输入端口7，其与驱控信号输出端口1电连接，用于输入面阵电控液晶微透镜9的驱动和调控信号。

陶瓷外壳18的侧面设置有第三指示灯8，其与驱控与波前预处理模块3电连接，用于显示面阵电控液晶微透镜9处在正常工作状态。

陶瓷外壳18的侧面设置有电源端口16，用于接入电源线以与外部电源连接。

陶瓷外壳18的侧面设置有第七指示灯21，其与驱控与波前预处理模块3电连接，用于显示电源已接通。

陶瓷外壳18的侧面设置有通讯端口17，用于与外部电子装置连接以接收工作指令。

陶瓷外壳18的侧面设置有第八指示灯20，其与驱控与波前预处理模块3电连接，用于显示通讯端口17处在正常工作状态。

陶瓷外壳18的底面设置有波前测量信号输出端口11，其与测量信号输入端口13电连接，用于输出面阵非制冷红外探测器6的光电响应信号至驱控与波前预处理模块3。

陶瓷外壳18的底面设置有第四指示灯10，其与驱控与波前预处理模块3电连接，用于显示面阵非制冷红外探测器6处在正常的信号输出状态。

陶瓷外壳18的底面设置有测量信号输入端口13，其与波前测量信号输出端口11电连接，用于将面阵非制冷红外探测器6的光电响应信号引入驱控与波前预处理模块3。

陶瓷外壳18的底面设置有第五指示灯12，其与驱控与波前预处理模块3电连接，用于显示驱控与波前预处理模块3处在正常的数据输入状态。

陶瓷外壳18的底面设置有红外波前数据输出端口15，用于输出所测量的红外波前数据。

陶瓷外壳18的底面设置有第六指示灯14，其与驱控与波前预处理模块3电连接，用于显示驱控与波前预处理模块3处在正常的数据输出状态。

以下参考图2描述本实用新型的工作原理：

如图2所示，面阵非制冷红外探测器与阵列规模较红外探测器已降低的电控液晶微透镜阵列混合集成，构成芯片中的红外波前测量结构。液晶器件与红外探测器的组合方式为：每单元电控液晶微透镜对应4×4元红外探测器。对单元液晶微透镜而言，入射波前离散化后所形成的以倾角φ表征的子平面波前，被液晶微透镜汇聚在其焦面上的不同位置，聚焦光斑由置于该处的红外探测器转换成光电响应信号。基于以位置排序的红外探测器其光电响应信号，通过波前复原算法处理并经进一步校准，入射波前就可以被解算出来。

由幅度不同的电压信号驱控的面阵电控液晶微透镜，其光学汇聚能力不同。这种情形可用常规的表面曲率不同的曲面轮廓折射微透镜，具有不同的光学汇聚能力来等效，如图示的面阵电控液晶微透镜阵列其等效电控状态-1和-2。

利用液晶微透镜的电控变焦特性，一方面可以根据目标及背景情况，增大或减小子平面波前的倾角测量范围，从而增大或减小红外波前的测量范围，降低液晶微透镜间的光串扰噪声；另一方面，通过调整特定波前的红外光波被液晶微透镜所聚焦的光斑位置，这一操作等同于测量新波前，可使因突发的环境或对抗性因素诱发的波前变动，得到一定程度的调整、较正甚至复原，从而提高测量红外波前的准确性和环境适应能力，因而具备一定的自我纠错能力。

以下简要介绍本实用新型的操作过程：

操作时，首先用并行信号线连接驱控信号输出端口1、探测器驱控信号输入端口4、以及微透镜驱控信号输入端口7；用并行数据线连接波前测量信号输出端口11、以及测量信号输入端口13；再将并行数据线插入红外波前数据输出端口15；并行通讯线插入通讯端口17；电源线连接到电源端口16上。然后通过并行通讯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、第七指示灯20、以及第八指示灯21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。通过并行通讯线送入工作指令后，芯片开始进行红外波前测量。光电响应信号由波前测量信号输出端口11、以及测量信号输入端口13送入驱控与波前预处理模块3，此时第四指示灯10、以及第五指示灯12再次接通闪烁。经驱控与波前预处理模块3处理后的红外波前数据，由红外波前数据输出端口15输出。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种混合集成面阵液晶微透镜与红外探测器的波前测量芯片，包括陶瓷外壳和金属散热板，所述陶瓷外壳后部设置于所述金属散热板顶部，其特征在于，还包括驱控与波前预处理模块、面阵非制冷红外探测器、以及面阵电控液晶微透镜； 

所述驱控与波前预处理模块、所述面阵非制冷红外探测器、以及所述面阵电控液晶微透镜同轴顺序设置于所述陶瓷外壳内； 

所述驱控与波前预处理模块设置于所述陶瓷外壳后部与所述金属散热板连接处； 

所述面阵非制冷红外探测器设置于所述驱控与波前预处理模块顶部； 

所述面阵电控液晶微透镜设置于所述面阵非制冷红外探测器顶部； 

每单元电控液晶微透镜与多个顺序排列的非制冷红外探测器构成的子红外探测器阵列对应，所述各子红外探测器阵列具有相同的探测器数量和排布方式，所述子红外探测器阵列的数量与所述面阵电控液晶微透镜的阵列规模一致； 

所述面阵电控液晶微透镜用于接收目标红外光波，根据其阵列规模将所述目标红外光波的波前，离散化成以倾角表征的子平面波前阵列，并将各子平面波前聚焦到相应的子红外探测器阵列上； 

所述子红外探测器阵列用于将所述子平面波前转换为电响应信号。 

2.根据权利要求1所述的波前测量芯片，其特征在于， 

所述陶瓷外壳的侧面设置有驱控信号输出端口，其与所述探测器驱控信号输入端口电连接，用于输出所述驱控与波前预处理模块提供给所述面阵非制冷红外探测器的驱控和调控信号； 

所述陶瓷外壳的侧面设置有第一指示灯，其与所述驱控与波前预处理模块电连接，用于显示所述驱控与波前预处理模块处在正常工作状态； 

所述陶瓷外壳的侧面设置有探测器驱控信号输入端口，其与所述驱控信号输出端口电连接，用于输入所述面阵非制冷红外探测器的驱动和调控信号； 

所述陶瓷外壳的侧面设置有第二指示灯，其与所述驱控与波前预处理模块电连接，用于显示所述面阵非制冷红外探测器处在正常工作状态； 

所述陶瓷外壳的侧面设置有微透镜驱控信号输入端口，其与所述驱控信号输出端口电连接，用于输入所述面阵电控液晶微透镜的驱动和调控信号； 

所述陶瓷外壳的侧面设置有第三指示灯，其与所述驱控与波前预处理模块电连接， 用于显示所述面阵电控液晶微透镜处在正常工作状态； 

所述陶瓷外壳的侧面设置有电源端口，用于接入电源线以与外部电源连接； 

所述陶瓷外壳的侧面设置有第七指示灯，其与所述驱控与波前预处理模块电连接，用于显示电源已接通； 

所述陶瓷外壳的侧面设置有通讯端口，用于与外部电子装置连接以接收工作指令； 

所述陶瓷外壳的侧面设置有第八指示灯，其与所述驱控与波前预处理模块电连接，用于显示所述通讯端口处在正常工作状态。 

3.根据权利要求1所述的波前测量芯片，其特征在于， 

所述陶瓷外壳的底面设置有波前测量信号输出端口，其与所述测量信号输入端口电连接，用于输出所述面阵非制冷红外探测器的光电响应信号至驱控与波前预处理模块； 

所述陶瓷外壳的底面设置有第四指示灯，其与所述驱控与波前预处理模块电连接，用于显示所述面阵非制冷红外探测器处在正常的信号输出状态； 

所述陶瓷外壳的底面设置有测量信号输入端口，其与所述波前测量信号输出端口电连接，用于将所述面阵非制冷红外探测器的光电响应信号引入所述驱控与波前预处理模块； 

所述陶瓷外壳的底面设置有第五指示灯，其与所述驱控与波前预处理模块电连接，用于显示所述驱控与波前预处理模块处在正常的数据输入状态； 

所述陶瓷外壳的底面设置有红外波前数据输出端口，用于输出所测量的红外波前数据； 

所述陶瓷外壳的底面设置有第六指示灯，其与所述驱控与波前预处理模块电连接，用于显示所述驱控与波前预处理模块处在正常的数据输出状态。 

4.根据权利要求1所述的波前测量芯片，其特征在于，所述驱控与波前预处理模块采用SoC和FPGA的结构。 

5.根据权利要求1所述的波前测量芯片，其特征在于，所述驱控与波前预处理模块还用于为所述面阵电控液晶微透镜、以及所述面阵非制冷红外探测器提供驱动和调控信号。 

6.根据权利要求5所述的波前测量芯片，其特征在于，所述面阵电控液晶微透镜还用于根据所述调控信号改变其焦长和通光孔径，以调控所述目标红外光波的波前的测量范围与效能。 

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