CN203465011U - 一种红外大景深面阵成像探测芯片 - Google Patents

一种红外大景深面阵成像探测芯片 Download PDF

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张新宇
罗俊
康胜武
佟庆
张静
李利荣
赵慧
桑红石
谢长生
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Abstract

本实用新型公开了一种红外大景深面阵成像探测芯片,包括面阵红外折射微透镜、面阵非制冷红外探测器和驱控预处理模块。面阵非制冷红外探测器位于面阵红外折射微透镜的焦面处,包括多个阵列分布的子面阵非制冷红外探测器。每个子面阵非制冷红外探测器包括数量和排布方式相同的多个阵列分布的光敏元,面阵红外折射微透镜包括多个阵列分布的单元红外折射微透镜,每单元红外折射微透镜与一个子面阵非制冷红外探测器对应。本实用新型的红外大景深面阵成像探测芯片可实现较大景深内多尺度目标的清晰成像,测量精度高,目标和环境适应性好,使用方便,易与常规红外光学系统匹配耦合。

Description

一种红外大景深面阵成像探测芯片
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,涉及一种红外大景深面阵成像探测芯片。
背景技术
进入新世纪以来,红外焦平面成像探测技术持续快速发展。通过将红外CCD、CMOS或FPAs等面阵光敏结构置于成像光学系统的焦面处,构成其基本的成像探测架构。一般而言,成像探测物空间中的特定目标,需要根据物距情况确定成像光学系统焦长,即对物空间中与焦长匹配的特定物距处的目标或景物进行对焦操作。该操作意味着成像视场中仅与特定焦长对应的物距处的目标其出射光波,才能经成像光学系统收集后被有效压缩在焦面处,构成与目标辐射特征相一致或高度接近的能流场,进而通过阵列化光电转换得到图像信息。特定物距处的目标或景物,被面阵光敏结构通过成像光学系统进行平面网格状划分,单元网格所界定的目标结构出射的红外波束,则被聚焦在相应的光敏元上。在确定成像系统的空间分辨率,保证聚焦光斑应覆盖每一光敏元并满足光敏材料的光电灵敏阈要求这一前提下,聚焦光斑的结构尺寸可作一定程度的改变而不影响光电转换操作,如由大到小到最小到增大到最大这一典型情形。换言之,面阵光敏结构在成像光学系统焦面处的摆放位置可作一定程度的调整,使成像光学系统呈现一定的焦深。景深则是焦深在物空间的对应表征,即获得清晰图像这一前提下,目标能够在物空间前后移动的最大距离,或单焦长清晰成像的物空间深度。目前,常规成像光学系统的景深极为有限,在景深范围内获得清晰的目标和场景图像时,也将得到与清晰图像共生的,成像视场中其它位置处的模糊环境图像。迄今为止,如何增大成像光学系统的景深,一直以来都是成像探测领域的研究热点,受到了广泛关注和重视。
在现有技术条件下,与基于特定焦长进行清晰成像的有限焦深对应的景深极为狭窄。成像探测物距不同的多尺度目标时,由于光敏阵列已固置,需利用变焦系统调节焦长。在典型的单幅成像画面中,除清晰的目标像以及有限景深/焦深所刻画的局域清晰景物,还有因物距显著改变所呈现的模糊景象等。通过变焦对物空间中远近不同的多尺度目标进行成像探测,意味着连带变更与目标有相同或相近物距的景物。通常情况下,机械变焦其转换时间长,存在长焦像质降低和视场收缩等缺陷。多焦长并行式的成像架构则存在可配置的焦长数量有限,系统结构复杂,外形尺寸、体积和质量较大,成像设备本身以及运行和维护成本相对较高,图像匹配复杂等问题。另一方面,一般意义上的电子变焦,仅通过处理图像数据,基于图像的形态或灰度变化来显现变焦特征,其效能有限。迄今为止,基于面阵红外探测器技术的不断改进、完善和升级,如何进一步实现单焦长/大景深、大视场/高空间分辨率兼容的成像探测与数字目标图像构建,已成为先进红外成像技术所面临的重点和难点问题,迫切需要新的突破。
实用新型内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求,本实用新型提供了一种红外大景深面阵成像探测芯片,可实现较大景深内多尺度目标的清晰成像,测量精度高,目标和环境适应性好,使用方便,易与常规红外光学系统匹配耦合。
为实现上述目的,本实用新型提供了一种红外大景深面阵成像探测芯片,其特征在于,包括面阵红外折射微透镜、面阵非制冷红外探测器和驱控预处理模块;其中,所述面阵非制冷红外探测器位于所述面阵红外折射微透镜的焦面处,包括多个阵列分布的子面阵非制冷红外探测器,每个子面阵非制冷红外探测器包括数量和排布方式相同的多个阵列分布的光敏元;所述面阵红外折射微透镜包括多个阵列分布的单元红外折射微透镜,每单元红外折射微透镜与一个子面阵非制冷红外探测器对应;所述面阵红外折射微透镜用于将目标的红外汇聚光波再聚焦,使来自物空间不同物距处多尺度目标的红外汇聚光波离散化排布,并聚焦在多个子面阵非制冷红外探测器上,使来自物空间的某一目标的红外汇聚光波定向聚焦在多个子面阵非制冷红外探测器相同位置的光敏元上;所述面阵非制冷红外探测器用于将汇聚在多个子面阵非制冷红外探测器上的光波转换成电信号,得到来自物空间不同物距处多尺度目标各自对应的阵列化的红外光电响应信号;所述驱控预处理模块用于将阵列化的红外光电响应信号量化,并进行非均匀性校正,生成不同物距处多尺度目标的红外图像数据。
优选地,所述子面阵非制冷红外探测器为m×n元,其中,m、n均为大于1的整数。
优选地,所述驱控预处理模块采用SoC与FPGA结合的结构。
优选地,所述驱控预处理模块还用于为所述面阵非制冷红外探测器提供驱动和调控信号,驱动所述面阵非制冷红外探测器工作,并对所述面阵非制冷红外探测器转换的电信号进行调控。
优选地,还包括陶瓷外壳和金属支撑与散热板;其中,所述陶瓷外壳位于所述金属支撑与散热板的上方,所述金属支撑与散热板与所述陶瓷外壳固联,用于支撑和散热,所述驱控预处理模块、所述面阵非制冷红外探测器和所述面阵红外折射微透镜同轴顺序置于所述陶瓷外壳内,其中,所述面阵非制冷红外探测器位于所述驱控预处理模块的上方,所述面阵红外折射微透镜位于所述面阵非制冷红外探测器的上方,且所述面阵红外折射微透镜的光入射面通过所述陶瓷外壳的面部开孔裸露在外。
优选地,所述驱控预处理模块上设有第二端口和第二指示灯,所述面阵非制冷红外探测器上设有第三端口和第三指示灯;所述第二端口用于输出所述驱控预处理模块提供给所述面阵非制冷红外探测器的驱动和调控信号,所述第二端口还用于输入所述面阵非制冷红外探测器提供给所述驱控预处理模块的红外光电响应信号,所述第二端口还用于接收外部设备向所述红外大景深面阵成像探测芯片输入的工作指令,所述第二指示灯用于指示所述驱控预处理模块是否处在正常工作状态;所述第三端口用于输入所述驱控预处理模块提供给所述面阵非制冷红外探测器的驱动和调控信号,所述第三端口还用于输出所述面阵非制冷红外探测器提供给所述驱控预处理模块的红外光电响应信号,所述第三指示灯用于指示所述非制冷红外探测器是否处在正常工作状态。
优选地,所述驱控预处理模块上设有第四端口和第四指示灯,所述第四端口用于将所述序列红外图像数据从所述驱控预处理模块输出,所述第四指示灯用于指示所述驱控预处理模块是否处在正常数据输出状态。
优选地,所述驱控预处理模块上设有第一端口和第一指示灯,所述第一端口用于接入电源线以连接外部电源,所述第一指示灯用于指示电源是否接通。
总体而言,通过本实用新型所构思的以上技术方案与现有技术相比,面阵非制冷红外探测器被划分成多个阵列分布的子面阵非制冷红外探测器,每个子面阵非制冷红外探测器包括数量和排布方式相同的多个阵列分布的光敏元;引入了面阵红外折射微透镜,面阵红外折射微透镜包括多个阵列分布的单元红外折射微透镜,每单元红外折射微透镜对应一个子面阵非制冷红外探测器。
将面阵红外折射微透镜与面阵非制冷红外探测器混合集成,置于由主镜构成的成像光学系统的焦面处或进行弱离焦配置。来自物空间不同物距处多尺度目标的红外汇聚光波经面阵红外折射微透镜进行离散化排布和再聚焦,投射在多个子面阵非制冷红外探测器上,来自物空间的某一目标的红外汇聚光波经面阵红外折射微透镜再聚焦后,投射在多个子面阵非制冷红外探测器相同位置的光敏元上并被转换成电信号,得到阵列化的红外光电响应信号。
驱控预处理模块将来自物空间不同物距处多尺度目标各自对应的阵列化的红外光电响应信号量化,并进行非均匀性校正,从而得到基于特定焦长的成像光学系统所界定的视场中的清晰景物图像,即得到较大景深内物距不同的多尺度目标的共生清晰图像数据并输出,且这些图像具有相同/相近的空间分辨率。
通过本实用新型所构思的以上技术方案与现有技术相比,具有以下有益效果:
1、实现较大景深内多尺度目标的成像探测,本实用新型将面阵红外折射微透镜与面阵非制冷红外探测器耦合,实现因目标物距不同所致的红外辐射波矢方向变动的并行式成像探测操作,具有基于单片功能化的红外探测器阵列实现较大景深内多尺度目标的清晰成像的优点。
2、测量精度高,本实用新型采用面阵红外折射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。
3、可测量的目标物距变动范围大,由于本实用新型采用了单元红外折射微透镜与子面阵非制冷红外探测器一一对应的探测架构,具有可测量的目标物距变动范围/景深较大的优点。
4、环境适应性好,由于本实用新型采用了基于热效应的非制冷红外探测器,以及具有固定形貌的红外折射微透镜,测量谱段较宽,工作在室温环境,所以本实用新型具有环境适应性好的优点。
5、使用方便,本实用新型的面阵红外折射微透镜、面阵非制冷红外探测器以及驱控预处理模块易于集成在单个芯片上,具有接插方便,易与红外光学系统及电子、机械装置匹配耦合的优点。
附图说明
图1是本实用新型实施例的红外大景深面阵成像探测芯片的结构示意图;
图2是本实用新型实施例的红外大景深面阵成像探测芯片的工作原理图。
图1中:1-第一指示灯,2-第一端口,3-第二指示灯,4-第三指示灯,5-第二端口,6-第三端口,7-驱控预处理模块,8-面阵非制冷红外探测器,9-面阵红外折射微透镜,10-第四指示灯,11-第四端口,12-金属支撑与散热板,13-陶瓷外壳。
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仅用以解释本实用新型,并不用于限定本实用新型。此外,下面所描述的本实用新型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。
一般而言,成像探测物空间中的特定目标,需要根据物距情况选择焦长。常规的成像探测体制中,对特定焦长而言,仅与该焦长对应的景深范围内的目标,其出射光波才能经成像光学系统收集后被有效压缩在焦面处,构成与目标辐射特征相一致或高度接近的能流场,进而通过面阵光敏结构转换成光电信号得到目标图像。对不在该景深范围内的目标,在该焦长的焦面处形成弥散的光斑,且目标距离景深区域越远,形成的光斑越大,由于面阵光敏结构的分辨率有限,不能得到清晰图像。本实用新型利用与面阵非制冷红外探测器耦合的面阵红外折射微透镜,将经成像光学系统的目标汇聚光束再聚焦,使来自物空间不同物距处多尺度目标的红外辐射光波离散化排布,并进行并行式的阵列化光电转换操作,在不改变光学系统焦距这一前提下,同时捕获相对传统成像系统较大景深内远近不同的景物图像,并且这些图像具有相同/相近的空间分辨率。一般而言,宏观目标其结构和在时空域中的运动,均具有连续性。通过合理插值,所获取的电子图像集的密度可被适度增大,多尺度景物图像将具有更为丰富和细腻的潜质。
图1是本实用新型实施例的红外大景深面阵成像探测芯片的结构示意图。
本实用新型实施例的红外大景深面阵成像探测芯片包括:驱控预处理模块7、面阵非制冷红外探测器8、面阵红外折射微透镜9、陶瓷外壳13和金属支撑与散热板12。
陶瓷外壳13位于金属支撑与散热板14的上方。金属支撑与散热板14与陶瓷外壳13固联,用于支撑和散热。驱控预处理模块7、面阵非制冷红外探测器8和面阵红外折射微透镜9同轴顺序置于陶瓷外壳13内。其中,驱控预处理模块7采用SoC和FPGA结合的结构,面阵非制冷红外探测器8位于驱控预处理模块7的上方,面阵红外折射微透镜9位于面阵非制冷红外探测器8的上方且其光入射面通过陶瓷外壳13的面部开孔裸露在外。
面阵非制冷红外探测器8位于面阵红外折射微透镜9的焦面处。面阵非制冷红外探测器8被划分成多个阵列分布的子面阵非制冷红外探测器,每个子面阵非制冷红外探测器包括数量和排布方式相同的多个阵列分布的光敏元。面阵红外折射微透镜9包括多个阵列分布的单元红外折射微透镜,每单元红外折射微透镜与一个子面阵非制冷红外探测器对应,子面阵非制冷红外探测器为m×n元,其中,m、n均为大于1的整数,例如,子面阵非制冷红外探测器可以是2×2元、4×4元、8×8元甚至更大规模阵列。
面阵红外折射微透镜9与面阵非制冷红外探测器8耦合集成,构成红外大景深面阵成像探测架构,置于由主镜构成的成像光学系统的焦面处或进行弱离焦配置。
面阵红外折射微透镜9用于将经由主镜构成的成像光学系统的红外汇聚光波再聚焦,使来自物空间不同物距处多尺度目标的红外汇聚光波离散化排布,并定向聚焦在多个子面阵非制冷红外探测器上,使来自物空间的某一目标的红外汇聚光波定向聚焦在多个子面阵非制冷红外探测器相同位置的光敏元上。
面阵非制冷红外探测器8用于将聚焦在多个子面阵非制冷红外探测器上的光波转换成电信号,得到来自物空间不同物距处多尺度目标各自对应的阵列化的红外光电响应信号。
驱控预处理模块7用于将阵列化的红外光电响应信号量化,并进行非均匀性校正,生成不同物距处多尺度目标的红外图像数据。
驱控预处理模块7还用于为面阵非制冷红外探测器8提供驱动和调控信号,驱动面阵非制冷红外探测器8工作,并对面阵非制冷红外探测器8转换的电信号进行调控。
驱控预处理模块7上设有第一端口2、第二端口5、第四端口11、第一指示灯1、第二指示灯3和第四指示灯10。其中,第一端口2用于接入电源线以连接外部电源,第二端口5用于输出驱控预处理模块7提供给面阵非制冷红外探测器8的驱动和调控信号,还用于输入面阵非制冷红外探测器8提供给驱控预处理模块7的红外光电响应信号,还用于接收外部设备向探测器输入的工作指令,第四端口11用于将序列红外图像数据从驱控预处理模块7输出,第一指示灯1用于指示电源是否接通,电源接通则第一指示灯1亮,否则熄灭,第二指示灯3用于指示驱控预处理模块7是否处在正常工作状态,驱控预处理模块7处在正常工作状态则第二指示灯3闪烁,否则熄灭,第四指示灯10用于指示驱控预处理模块7是否处在正常数据输出状态,驱控预处理模块7处在正常数据输出状态,则第四指示灯10闪烁,否则熄灭。
面阵非制冷红外探测器8上设有第三端口6和第三指示灯4。其中,第三端口6用于输入驱控预处理模块7提供给面阵非制冷红外探测器8的驱动和调控信号,还用于输出面阵非制冷红外探测器8提供给驱控预处理模块7的红外光电响应信号,第三指示灯4用于指示面阵非制冷红外探测器8是否处在正常工作状态,非制冷红外探测器8处在正常工作状态则第三指示灯4闪烁,否则熄灭。
上述第一端口2、第二端口5、第三端口6、第四端口11、第一指示灯1、第二指示灯3、第三指示灯4及第四指示灯10均通过陶瓷外壳13的面部开孔裸露在外。
下面结合图1说明本实用新型实施例的红外大景深面阵成像探测芯片的工作过程。
首先用并行信号线连接第二端口5和第三端口6,同时连接并行通讯线至第二端口5,连接并行数据线至第四端口11,连接电源线到第一端口2。通过并行通讯线由第二端口5送入电源开启指令,探测器开始自检,此时第一指示灯1、第二指示灯3、第三指示灯4、第四指示灯10接通闪烁。自检通过后第一指示灯1亮,第二指示灯3、第三指示灯4,以及第四指示灯10熄灭,探测器进入工作状态。通过并行通讯线由第二端口5送入开始工作指令后,探测器开始进行光电响应信号测量。驱控预处理模块7经第二端口5和第三端口6向面阵非制冷红外探测器8输入驱动和调控信号,面阵非制冷红外探测器8经第二端口5和第三端口6向驱控预处理模块7输出红外光电响应信号,此时第三指示灯4、以及第二指示灯3再次接通闪烁。红外光电响应信号经驱控预处理模块7处理后得到的序列红外图像数据由第四端口11输出,此时第四指示灯10再次接通闪烁。
图2是本实用新型实施例的红外大景深面阵成像探测芯片的工作原理图。
如图2所示,面阵非制冷红外探测器与面阵红外折射微透镜耦合集成,构成红外大景深成像探测架构,被放置在由主镜构成的成像光学系统的焦面处或进行弱离焦配置。在所设定的阵列规模或空间分辨率模式下,面阵红外折射微透镜中的单元红外折射微透镜与面阵非制冷红外探测器中的7×7元子面阵非制冷红外探测器对应。
成像探测物空间中的特定目标,首先根据物距情况选择由主镜构成的成像光学系统的焦长,该操作意味着与特定焦长对应的目标,其出射光波经成像光学系统收集后被有效压缩,构成与目标辐射特征相一致或高度接近的能流场,进而通过面阵红外折射微透镜的再汇聚/聚焦,被置于面阵红外折射微透镜的焦面处的面阵非制冷红外探测器转换成电信号。
如图2所示,对面阵红外折射微透镜中的单元红外折射微透镜而言,在景深较大的物空间中,光敏元可分辨的短焦景物A和空间分辨率等同A的局部长焦景物B所出射的红外波束的波矢方向不同,经由主镜构成的成像光学系统后,被单元红外折射微透镜定向汇聚/聚焦在与该单元红外折射微透镜对应的7×7元子面阵非制冷红外探测器中的不同光敏元上,分别形成光斑A和光斑B。子面阵非制冷红外探测器将光斑A和光斑B转换成电信号。
具体地,对短焦景物A而言,其出射的红外波束经面阵红外折射微透镜后,定向汇聚在多个7×7元子面阵非制冷红外探测器中与图中光斑A位置相同的光敏元上,面阵非制冷红外探测器将光信号转换为电信号,得到与短焦景物A对应的阵列化的红外光电响应信号;对长焦景物B而言,其出射的红外波束经面阵红外折射微透镜后,定向汇聚在多个7×7元子面阵非制冷红外探测器中与图中光斑B位置相同的光敏元上,面阵非制冷红外探测器将光信号转换为电信号,得到与长焦景物B对应的阵列化的红外光电响应信号。驱控预处理模块(图中未示出)将与短焦景物A和长焦景物B对应的阵列化的红外光电响应信号量化,并进行非均匀性校正,得到基于特定焦长的光学系统所界定的视场中的清晰景物图像,即得到较大景深内物距不同的多尺度目标的共生清晰图像数据并输出。
在上述成像过程中,成像探测远近不同的多尺度目标时,成像视场和空间分辨率并未改变,从而显示出了单焦长/大景深、大视场/高空间分辨率等相融合这一技术特征。
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 (8)

1.一种红外大景深面阵成像探测芯片,其特征在于,包括面阵红外折射微透镜、面阵非制冷红外探测器和驱控预处理模块;其中,
所述面阵非制冷红外探测器位于所述面阵红外折射微透镜的焦面处,包括多个阵列分布的子面阵非制冷红外探测器,每个子面阵非制冷红外探测器包括数量和排布方式相同的多个阵列分布的光敏元;
所述面阵红外折射微透镜包括多个阵列分布的单元红外折射微透镜,每单元红外折射微透镜与一个子面阵非制冷红外探测器对应;
所述面阵红外折射微透镜用于将目标的红外汇聚光波再聚焦,使来自物空间不同物距处多尺度目标的红外汇聚光波离散化排布,并聚焦在多个子面阵非制冷红外探测器上,使来自物空间的某一目标的红外汇聚光波定向聚焦在多个子面阵非制冷红外探测器相同位置的光敏元上;
所述面阵非制冷红外探测器用于将汇聚在多个子面阵非制冷红外探测器上的光波转换成电信号,得到来自物空间不同物距处多尺度目标各自对应的阵列化的红外光电响应信号;
所述驱控预处理模块用于将阵列化的红外光电响应信号量化,并进行非均匀性校正,生成不同物距处多尺度目标的红外图像数据。
2.如权利要求1所述的红外大景深面阵成像探测芯片,其特征在于,所述子面阵非制冷红外探测器为m×n元,其中,m、n均为大于1的整数。
3.如权利要求1所述的红外大景深面阵成像探测芯片,其特征在于,所述驱控预处理模块采用SoC与FPGA结合的结构。
4.如权利要求1至3中任一项所述的红外大景深面阵成像探测芯片,其特征在于,所述驱控预处理模块还用于为所述面阵非制冷红外探测器提供驱动和调控信号,驱动所述面阵非制冷红外探测器工作,并对所述面阵非制冷红外探测器转换的电信号进行调控。
5.如权利要求1所述的红外大景深面阵成像探测芯片,其特征在于,还包括陶瓷外壳和金属支撑与散热板;其中,
所述陶瓷外壳位于所述金属支撑与散热板的上方,所述金属支撑与散热板与所述陶瓷外壳固联,用于支撑和散热,所述驱控预处理模块、所述面阵非制冷红外探测器和所述面阵红外折射微透镜同轴顺序置于所述陶瓷外壳内,其中,所述面阵非制冷红外探测器位于所述驱控预处理模块的上方,所述面阵红外折射微透镜位于所述面阵非制冷红外探测器的上方,且所述面阵红外折射微透镜的光入射面通过所述陶瓷外壳的面部开孔裸露在外。
6.如权利要求5所述的红外大景深面阵成像探测芯片,其特征在于,所述驱控预处理模块上设有第二端口和第二指示灯,所述面阵非制冷红外探测器上设有第三端口和第三指示灯;
所述第二端口用于输出所述驱控预处理模块提供给所述面阵非制冷红外探测器的驱动和调控信号,所述第二端口还用于输入所述面阵非制冷红外探测器提供给所述驱控预处理模块的红外光电响应信号,所述第二端口还用于接收外部设备向所述红外大景深面阵成像探测芯片输入的工作指令,所述第二指示灯用于指示所述驱控预处理模块是否处在正常工作状态;
所述第三端口用于输入所述驱控预处理模块提供给所述面阵非制冷红外探测器的驱动和调控信号,所述第三端口还用于输出所述面阵非制冷红外探测器提供给所述驱控预处理模块的红外光电响应信号,所述第三指示灯用于指示所述非制冷红外探测器是否处在正常工作状态。
7.如权利要求6所述的红外大景深面阵成像探测芯片,其特征在于,所述驱控预处理模块上设有第四端口和第四指示灯,所述第四端口用于将所述序列红外图像数据从所述驱控预处理模块输出,所述第四指示灯用于指示所述驱控预处理模块是否处在正常数据输出状态。
8.如权利要求7所述的红外大景深面阵成像探测芯片,其特征在于,所述驱控预处理模块上设有第一端口和第一指示灯,所述第一端口用于接入电源线以连接外部电源,所述第一指示灯用于指示电源是否接通。
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