CN203503659U - 一种基于单眼套叠的全色复眼成像探测芯片 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于单眼套叠的全色复眼成像探测芯片，其特征在于，包括面阵折射微透镜、面阵全色探测器和驱控预处理模块；面阵全色探测器被划分成多个阵列分布的子面阵全色探测器；面阵折射微透镜包括多个阵列分布的单元折射微透镜，每单元折射微透镜与一个子面阵全色探测器对应；驱控预处理模块将各子面阵全色探测器中相同位置的光敏元的电信号归属到一个单眼的成像操作，通过对面阵全色探测器的光电信号进行量化、解算和校准处理，得到基于观察视角或目标姿态的序列高像质图像数据。本实用新型的全色复眼探测芯片可捕获目标多视角/多姿态图像，实现高空间分辨率与高角分辨率的兼容，测量精度高，使用方便，易与常规成像光学系统耦合。

Description

一种基于单眼套叠的全色复眼成像探测芯片

技术领域

本实用新型属于成像探测技术领域，更具体地，涉及一种基于单眼套叠的全色复眼成像探测芯片。

背景技术

昆虫如苍蝇、蜻蜓和蜜蜂等的复眼，在自然界中经过亿万年的进化和完善，逐渐演化成目前具有独特成像能力的，阵列式的小/微型化多重光敏及视觉架构。具有景深大、多孔径并行、超大视场、可敏锐感知运动目标等特性。迄今为止，国内外均发展了多种仿生复眼结构。典型进展包括：（一）美国所发展的基于弹性微透镜阵列和可变形硅基光敏阵列，可实现视角和景深极大化，不产生轴外像差的人造同位复眼相机技术，通过单元微透镜和光敏元件构成基础性单眼，在约160度的半球形上集成多个单眼组成曲面轮廓复眼；（二）基于CCD、CMOS或FPAs等光敏芯片模仿昆虫复眼中的小眼，通过多小眼的图像或视频信息拼接，构成结构尺寸较大的仿生复眼成像架构；（三）基于自聚焦效应制作类似复眼晶椎微结构的仿生复眼；（四）基于复眼的运动目标检测、识别、校正以及时间分辨率提升；（五）基于复眼的电子稳像算法构建以及小/微型化的广角宽大景深成像监视；（六）基于复眼的全向探测以及稳定航迹的飞控和导航制导；（七）基于复眼的飞行目标实时定位与跟踪，特定图形图像的质地分辨与背景特征识别；（八）为新型的小型化光学/光电成像设备提供新的设计自由度和解决思路。对昆虫复眼成像探测架构和视觉功能进行深入分析、模拟、再现、延伸甚至扩展，是目前基于视觉仿生构建先进成像探测技术的热点，受到了广泛关注和重视。

尽管仿生复眼技术在科学研究和工程应用领域展现了广阔的发展前景，但现有仿生复眼技术因受微纳光学制作工艺，面阵光敏器件技术以及光学光电耦合集成方式等因素制约，其光学成像探测能力在短期内难以再有质的突破。其缺陷主要表现为：（一）平面、弯曲甚至可形变端面或柔性的折/衍射微透镜阵列的加工和集成工艺仍显不足；（二）仿生复眼如采用截面更为复杂的高阶曲面如典型的六边形高次曲面等，需成本极高的超精细加工手段，单眼的通光或数值孔径较小，视力较差；（三）基于成像需求耦合连续排布的面阵微透镜与面阵光敏结构时，单元微透镜仅能与阵列规模有限的子光敏阵列耦合，受单眼成像能力制约，表现为视场狭窄、图像清晰度低、对比度差、细节再现能力弱、图像层次感严重不足以及目标的图像完整性低等导致的像质差；（四）目标出射光束的角分辨能力低，目标姿态的角细节测量和再现能力差；（五）目标的特征提取与运动行为解算需要由占用大量电子资源的复杂算法支撑；（六）需配置专用光学系统等。换言之，现有的仿生复眼成像体制，将无法调和大阵列规模微光学结构与多单眼光敏探测架构复合所表征的，高空间分辨率与高像质相抵触以及角分辨能力不足这一内禀性矛盾。急需体制突破，寻找到新的阵列化微纳光学结构与确保像质条件下的多单眼光敏架构相融合的技术措施。

实用新型内容

针对现有技术的以上缺陷，本实用新型提供了一种基于单眼套叠的全色复眼成像探测芯片，可捕获目标多视角/多姿态图像，实现高空间分辨率与高角分辨率的兼容，测量精度高，使用方便，易与常规成像光学系统耦合。

为实现上述目的，本实用新型提供了一种基于单眼套叠的全色复眼成像探测芯片，其特征在于，包括面阵折射微透镜、面阵全色探测器和驱控预处理模块；其中，所述面阵全色探测器被划分成多个阵列分布的子面阵全色探测器，每个子面阵全色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；所述面阵折射微透镜与所述面阵全色探测器匹配耦合，包括多个阵列分布的单元折射微透镜，每单元折射微透镜与一个子面阵全色探测器对应；所述面阵折射微透镜用于将不同方向目标波束离散化排布，并定向汇聚在与各单元折射微透镜对应的子面阵全色探测器的相应光敏元上,将同方向目标波束定向汇聚在多个子面阵全色探测器相同位置的光敏元上；所述面阵全色探测器用于将汇聚在多个子面阵全色探测器上的光波转换成电信号；所述驱控预处理模块用于将各子面阵全色探测器中相同位置的光敏元的电信号归属到一个单眼的成像操作，通过量化、解算和校准面阵全色探测器的光电信号，得到基于观察视角或目标姿态的序列高像质图像数据。

优选地，所述面阵折射微透镜与所述面阵全色探测器均为m×n元，其中，m、n均为大于1的整数。

优选地，所述子面阵全色探测器为p×q元，其中，p、q均为大于1的整数。

优选地，所述驱控预处理模块还用于为所述面阵全色探测器提供驱动和调控信号，驱动所述面阵全色探测器工作，并对所述面阵全色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散热板；其中，所述陶瓷外壳位于所述金属支撑散热板的上方，所述金属支撑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、所述面阵全色探测器和所述面阵折射微透镜同轴顺序置于陶瓷外壳内，其中，所述面阵全色探测器位于所述驱控预处理模块的上方，所述面阵折射微透镜位于所述面阵全色探测器的上方且其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一端口、第四端口、第一指示灯和第四指示灯，所述面阵全色探测器上设有第二端口、第三端口、第二指示灯和第三指示灯；所述第一端口用于输出所述驱控预处理模块提供给所述面阵全色探测器的驱动和调控信号，还用于接收外部设备向探测器输入的工作指令，所述第一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；所述第四端口用于输入所述面阵全色探测器提供给所述驱控预处理模块的光电响应信号，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的信号输入状态；所述第二端口用于输入所述驱控预处理模块提供给所述面阵全色探测器的驱动和调控信号，所述第二指示灯用于指示所述面阵全色探测器是否处在正常工作状态；所述第三端口用于输出所述面阵全色探测器提供给所述驱控预处理模块的光电响应信号，所述第三指示灯用于指示所述面阵全色探测器是否处在正常的信号输出状态。

优选地，所述驱控预处理模块上设有第五端口和第五指示灯，所述第五端口用于将所述序列高像质图像数据从所述驱控预处理模块输出，所述第五指示灯用于指示所述驱控预处理模块是否处在正常的数据输出状态。

优选地，所述驱控预处理模块上设有第六端口和第六指示灯，所述第六端口用于接入电源线以连接外部电源，所述第六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，将面阵折射微透镜与面阵全色探测器耦合，每单元折射微透镜与一个子面阵全色探测器对应，多方向目标波束进入面阵折射微透镜后，每单元折射微透镜将不同方向目标波束离散化排布并定向聚焦在与该单元折射微透镜对应的子面阵全色探测器的相应光敏元上,面阵折射微透镜将同一方向目标波束定向汇聚在多个子面阵全色探测器相同位置的光敏元上。面阵全色探测器将投射在光敏元上的光波转换成电信号，驱控预处理模块将各子面阵全色探测器中相同位置的光敏元的电信号归属到一个单眼的成像探测操作，通过量化、解算和校准各单眼的阵列化光电信号，得到基于观察视角或目标姿态的序列高像质图像数据并输出，完成复眼成像探测操作。

在上述成像体制下，目标的成像探测空间分辨率，由置于成像光学系统焦面处的折射微透镜的阵列规模决定，即阵列规模越大，成像分辨率越高。与单元折射微透镜对应的子面阵全色探测器的阵列规模，决定了所能构造的单眼数量。由于通过折射微透镜将入射方向各异的传输波束压缩驱赶到特定的空间区域，即执行定向聚焦操作，从而具有高的目标出射波束的角分辨率或者说高的目标姿态分辨率。

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、目标多视角/多姿态图像的捕获，本实用新型通过将面阵折射微透镜与面阵全色探测器耦合，实现不同方向波束的有序分离并执行套叠式的成像探测操作，具有基于单片功能化的全色探测器阵列实现复眼功能的优点。

2、高空间与高角分辨率融合，由于本实用新型采用大面阵折射微透镜和面阵全色探测器耦合的架构，面阵全色探测器被分割成多个相互套叠的子面阵全色探测器，具有高空间分辨率与高角分辨率相融合的优点。

3、测量精度高，由于本实用新型采用大面阵折射微透镜和面阵全色探测器，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和性能稳定性，具有测量精度高的优点。

4、使用方便，由于本实用新型的面阵折射微透镜、面阵全色探测器和驱控预处理模块集成在单个芯片上，具有接插方便，易与成像光学系统、电子和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基于单眼套叠的全色复眼成像探测芯片的结构示意图；

图2是本实用新型实施例的基于单眼套叠的全色复眼成像探测芯片的工作原理图。

图1中：1-第一端口，2-第一指示灯，3-驱控预处理模块，4-第二端口，5-第二指示灯，6-面阵全色探测器，7-面阵折射微透镜，8-第三指示灯，9-第三端口，10-第四指示灯，11-第四端口，12-第五指示灯，13-第五端口，14-第六端口，15-陶瓷外壳，16-金属支撑散热板，17-第六指示灯。

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。

图1是本实用新型实施例的基于单眼套叠的全色复眼成像探测芯片的结构示意图。本实用新型实施例的基于单眼套叠的全色复眼成像探测芯片包括：陶瓷外壳15、金属支撑散热板16和单眼套叠的全色复眼成像探测架构。

陶瓷外壳15位于金属支撑散热板16的上方。金属支撑散热板16与陶瓷外壳15固联，用于支撑和散热。单眼套叠的全色复眼成像探测架构位于陶瓷外壳15内，包括：驱控预处理模块3、面阵全色探测器6和面阵折射微透镜7。驱控预处理模块3、面阵全色探测器6和面阵折射微透镜7同轴顺序置于陶瓷外壳15内，其中，面阵全色探测器6位于驱控预处理模块3的上方，面阵折射微透镜7位于面阵全色探测器6的上方且其光入射面通过陶瓷外壳15的面部开孔裸露在外。

面阵全色探测器6位于面阵折射微透镜7的焦面处。面阵全色探测器6被划分成多个阵列分布的子面阵全色探测器，每个子面阵全色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。面阵折射微透镜7包括多个阵列分布的单元折射微透镜，每单元折射微透镜与一个子面阵全色探测器对应。面阵折射微透镜7与面阵全色探测器6均为m×n元，其中，m、n均为大于1的整数。子面阵全色探测器为p×q元，其中，p、q均为大于1的整数，例如，子面阵全色探测器可以是2×2元、4×4元、8×8元甚至更大规模阵列。

面阵全色探测器6与面阵折射微透镜7耦合集成，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。

面阵折射微透镜7用于将经由主镜构成的成像光学系统的光波再聚焦，每单元折射微透镜将不同方向目标波束离散化排布，并定向汇聚在与该单元折射微透镜对应的子面阵全色探测器的相应光敏元上,面阵折射微透镜7将同方向目标波束定向汇聚在多个子面阵全色探测器相同位置的光敏元上。

面阵全色探测器6用于将汇聚在多个子面阵全色探测器上的光波转换成电信号。

驱控预处理模块3用于将各子面阵全色探测器中相同位置的光敏元的电信号归属到一个单眼的成像操作，通过量化、解算和校准面阵全色探测器的光电信号，得到基于观察视角或目标姿态的序列高像质图像数据并输出，完成复眼成像探测操作。

驱控预处理模块3还用于为面阵全色探测器6提供驱动和调控信号。驱动面阵全色探测器6工作，并对面阵全色探测器6转换的电信号进行调控。

驱控预处理模块3上设有第一端口1、第四端口11、第五端口13、第六端口14、第一指示灯2、第四指示灯10、第五指示灯12和第六指示灯17。其中，第一端口1用于输出驱控预处理模块3提供给面阵全色探测器6的驱动和调控信号，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用于输入面阵全色探测器6提供给驱控预处理模块3的光电响应信号，第五端口13用于将序列图像数据从驱控预处理模块3输出，第六端口14用于接入电源线以连接外部电源，第一指示灯2用于指示驱控预处理模块3是否处在正常工作状态，驱控预处理模块3处在正常工作状态，则第一指示灯2闪烁，否则熄灭，第四指示灯10用于指示驱控预处理模块3是否处在正常的信号输入状态，驱控预处理模块3处在正常的信号输入状态，则第四指示灯10闪烁，否则熄灭，第五指示灯12用于指示驱控预处理模块3是否处在正常的数据输出状态，驱控预处理模块3处在正常的数据输出状态，则第五指示灯12闪烁，否则熄灭，第六指示灯17用于指示电源是否接通，电源接通则第六指示灯17亮，否则熄灭。

面阵全色探测器6上设有第二端口4、第三端口9、第二指示灯5和第三指示灯8。其中，第二端口4用于输入驱控预处理模块3提供给面阵全色探测器6的驱动和调控信号，第三端口9用于输出面阵全色探测器6提供给驱控预处理模块3的光电响应信号，第二指示灯5用于指示面阵全色探测器6是否处在正常工作状态，面阵全色探测器6处在正常工作状态，则第二指示灯5闪烁，否则熄灭，第三指示灯8用于指示面阵全色探测器6是否处在正常的信号输出状态，面阵全色探测器6处在正常的信号输出状态，则第三指示灯8闪烁，否则熄灭。

上述第一端口1、第二端口4、第三端口9、第四端口11、第五端口13、第六端口14、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及第六指示灯17均通过陶瓷外壳15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基于单眼套叠的全色复眼成像探测芯片的工作过程。

首先用并行信号和数据线连接第一端口1和第二端口4，同时连接并行通讯线至第一端口1，用并行数据线连接第三端口9和第四端口11，连接并行数据线至第五端口13，连接电源线至第六端口14。通过并行通讯线由第一端口1送入电源开启指令，探测器开始自检，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和第六指示灯17接通闪烁，自检通过后第六指示灯17亮，其余指示灯熄灭，探测器进入工作状态。通过并行通讯线由第一端口1送入开始工作指令后，探测器开始进行全色图像数据测量。驱控预处理模块3经第一端口1和第二端口4向面阵全色探测器6输入驱动和调控信号，此时第一指示灯2和第二指示灯5再次接通闪烁，面阵全色探测器6经第三端口9和第四端口11向驱控预处理模块输出光电响应信号，此时第三指示灯8和第四指示灯10再次接通闪烁，光电响应信号经驱控预处理模块3处理后得到的序列视角/姿态图像数据由第五端口13输出，此时第五指示灯12再次接通闪烁。

图2是本实用新型实施例的基于单眼套叠的全色复眼成像探测芯片的工作原理图。如图2所示，面阵全色探测器与面阵折射微透镜耦合集成，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，面阵折射微透镜中的单元折射微透镜与4×4元（16个单眼）子面阵全色探测器对应。用波矢

表征不同方向的入射波束，对面阵折射微透镜中的单元折射微透镜而言，不同波矢

和的波束被单元折射微透镜离散聚焦在与其对应的4×4元子面阵全色探测器的不同光敏元上，即总数为16个单眼的不同单眼上，从而形成各自对应的光斑。面阵折射微透镜将同一波矢

的波束定向汇聚在多个子面阵全色探测器相同位置的光敏元上。面阵全色探测器将汇聚在多个子面阵全色探测器上的聚焦光斑转换成电信号，驱控预处理模块（图中未示出）将各子面阵全色探测器中相同位置的光敏元的电信号归属到一个单眼的操作，通过量化、解算和校准面阵全色探测器的光电信号，得到基于观察视角或目标姿态的序列高像质图像数据并输出，完成复眼成像探测操作。

本实用新型的基于单眼套叠的全色复眼成像探测芯片，采用大面阵折射微透镜和面阵全色探测器耦合的架构，面阵全色探测器包括多个相互套叠的子面阵全色探测器，将各子面阵全色探测器中相同位置的光敏元的电信号归属到一个单眼的操作,具有高空间分辨率与高角分辨率相融合的优点；由于本实用新型的面阵折射微透镜、面阵全色探测器和驱控预处理模块集成在单个芯片上，具有接插方便，易与成像光学系统、电子和机械装置匹配耦合的优点。

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)

1.一种基于单眼套叠的全色复眼成像探测芯片，其特征在于，包括面阵折射微透镜、面阵全色探测器和驱控预处理模块；其中，

所述面阵全色探测器被划分成多个阵列分布的子面阵全色探测器，每个子面阵全色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；

所述面阵折射微透镜与所述面阵全色探测器匹配耦合，包括多个阵列分布的单元折射微透镜，每单元折射微透镜与一个子面阵全色探测器对应；

所述面阵折射微透镜用于将不同方向目标波束离散化排布，并定向汇聚在与各单元折射微透镜对应的子面阵全色探测器的相应光敏元上,将同方向目标波束定向汇聚在多个子面阵全色探测器相同位置的光敏元上；

所述面阵全色探测器用于将汇聚在多个子面阵全色探测器上的光波转换成电信号；

所述驱控预处理模块用于将各子面阵全色探测器中相同位置的光敏元的电信号归属到一个单眼的成像操作，通过对面阵全色探测器的光电信号进行量化、解算和校准处理，得到基于观察视角或目标姿态的序列高像质图像数据。

2.如权利要求1所述的基于单眼套叠的全色复眼成像探测芯片，其特征在于，所述面阵折射微透镜与所述面阵全色探测器均为m×n元，其中，m、n均为大于1的整数。

3.如权利要求1所述的基于单眼套叠的全色复眼成像探测芯片，其特征在于，所述子面阵全色探测器为p×q元，其中，p、q均为大于1的整数。

4.如权利要求1至3中任一项所述的基于单眼套叠的全色复眼成像探测芯片，其特征在于，所述驱控预处理模块还用于为所述面阵全色探测器提供驱动和调控信号，驱动所述面阵全色探测器工作，并对所述面阵全色探测器转换的电信号进行调控。

5.如权利要求1所述的基于单眼套叠的全色复眼成像探测芯片，其特征在于，还包括陶瓷外壳和金属支撑散热板；其中，

所述陶瓷外壳位于所述金属支撑散热板的上方，所述金属支撑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、所述面阵全色探测器和所述面阵折射微透镜同轴顺序置于陶瓷外壳内，其中，所述面阵全色探测器位于所述驱控预处理模块的上方，所述面阵折射微透镜位于所述面阵全色探测器的上方且其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所述的基于单眼套叠的全色复眼成像探测芯片，其特征在于，所述驱控预处理模块上设有第一端口、第四端口、第一指示灯和第四指示灯，所述面阵全色探测器上设有第二端口、第三端口、第二指示灯和第三指示灯；

所述第一端口用于输出所述驱控预处理模块提供给所述面阵全色探测器的驱动和调控信号，还用于接收外部设备向探测器输入的工作指令，所述第一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；所述第四端口用于输入所述面阵全色探测器提供给所述驱控预处理模块的光电响应信号，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的信号输入状态；

所述第二端口用于输入所述驱控预处理模块提供给所述面阵全色探测器的驱动和调控信号，所述第二指示灯用于指示所述面阵全色探测器是否处在正常工作状态；所述第三端口用于输出所述面阵全色探测器提供给所述驱控预处理模块的光电响应信号，所述第三指示灯用于指示所述面阵全色探测器是否处在正常的信号输出状态。

7.如权利要求6所述的基于单眼套叠的全色复眼成像探测芯片，其特征在于，所述驱控预处理模块上设有第五端口和第五指示灯，所述第五端口用于将所述序列高像质图像数据从所述驱控预处理模块输出，所述第五指示灯用于指示所述驱控预处理模块是否处在正常的数据输出状态。

8.如权利要求7所述的基于单眼套叠的全色复眼成像探测芯片，其特征在于，所述驱控预处理模块上设有第六端口和第六指示灯，所述第六端口用于接入电源线以连接外部电源，所述第六指示灯用于指示电源是否接通。

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