專利名稱：集成液晶光控陣與面陣光敏結構的紅外成像探測芯片的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于紅外成像探測技術領域，更具體地，涉及一種集成液晶光控陣與面陣光敏結構的紅外成像探測芯片。
背景技術：
迄今為止，人們通過不斷改進、升級以及研發(fā)新型的陣列化紅外光敏結構，如持續(xù)增大光敏陣列規(guī)模，縮小光敏結構尺寸，提高光敏材料的響應靈敏度，增大光敏陣列的填充系數(shù)以及降低噪聲等，使紅外成像探測效能得到改進與增強。目前商用的紅外CCD、CM0S探測器的陣列規(guī)模，均分別超過了千萬和百萬像素量級。面陣非制冷紅外探測器的性能指標，也在與制冷型器件迅速接近。主要基于光熱效應的納米管基光敏技術，以及基于共振感應效應的人工超材料光敏技術等，也在快速發(fā)展。基于量子效應的大面陣量子點和量子線光敏器件，已成為新一代光電探測結構的有力競爭者。通過將CXD、CMOS、FPAs (Focal Plane·Arrays)等探測陣列與微納光學/光電結構耦合，構造功能化的靈巧成像探測組件，已顯示出良好的發(fā)展前景。陣列化的光電響應和圖像信息處理功能已實現(xiàn)混合、單片集成。具有空間分辨率高，光電轉換能力強，易與其它功能結構耦合，模塊化組成，光電與數(shù)字圖像信息處理一體化的成像探測技術，目前仍在快速發(fā)展。一般而言，基于陣列化(XD、CM0S或FPAs的紅外成像探測架構，通過光學系統(tǒng)將紅外光波在其焦面處高度壓縮，形成微/納米尺度的光斑陣列。在有障礙物、干擾體或遮蔽媒介存在的條件下，如大氣湍流、煙霧、火花、強烈反光、漂浮物、主動干擾光波、飄動的云層、雨雪天氣、煙霧、濕氣、人工隱身措施、溫度驟升引發(fā)的輻射遮擋或屏蔽作用、爆炸性煙塵、人工揚塵或沙塵暴等，僅能將直接暴露于光學系統(tǒng)前的混合輻射特征記錄下來。環(huán)境或擾動引發(fā)的光學效應，也將同時植入所形成的壓縮光場以及后續(xù)的電子圖像信息中，影響圖像參量包括圖像分辨率、對比度和清晰度等。目前的圖像信息處理也僅能對圖像質(zhì)量進行有限程度的改善或優(yōu)化?，F(xiàn)有問題仍然是常規(guī)的陣列化光敏手段不具備芯片級的快速光學調(diào)變功能，抗干擾能力和環(huán)境適應性嚴重不足。上述缺陷因探測架構原因不可能隨光敏器材性能指標的提升而自動消失，圖像信息處理也僅能對表觀圖像數(shù)據(jù)進行有限的變換或校正。

實用新型內(nèi)容本實用新型的目的在于提供一種覆蓋多個紅外譜段，紅外成像探測效能高，基于液晶光控陣快速控光的成像干擾抑制與糾錯，易與其它光學/光電/機械結構耦合，集成電子學驅(qū)控和讀出，目標與環(huán)境適應性好的集成液晶光控陣與面陣光敏結構的紅外自適應成像探測芯。實現(xiàn)本實用新型的目的所采用的技術方案是為實現(xiàn)上述目的，本實用新型提供了一種集成液晶光控陣與面陣光敏結構的紅外成像探測芯片，包括陶瓷外殼、液晶基紅外成像探測架構以及金屬散熱板，金屬散熱板設置在陶瓷外殼后部并與其固聯(lián)，用于對芯片散熱，液晶基紅外成像探測架構設置在陶瓷外殼內(nèi)，并包括驅(qū)控與圖像預處理模塊、面陣非制冷紅外探測器、以及面陣電控液晶微透鏡，三者同軸順序設置，每單元電控液晶微透鏡與多個順序排列的非制冷紅外探測器構成的子紅外探測器陣列對應，各子紅外探測器陣列具有相同的探測器數(shù)量和排布方式，子紅外探測器陣列的數(shù)量與面陣電控液晶微透鏡的陣列規(guī)模一致，驅(qū)控與圖像預處理模塊采用SoC和FPGA結構，用于為面陣電控液晶微透鏡與面陣非制冷紅外探測器提供驅(qū)動和調(diào)控信號，面陣電控液晶微透鏡用于接收目標紅外光波，將目標紅外光波離散成子孔徑紅外波束陣列，并將子孔徑紅外波束聚焦或匯聚在與其對應的單元非制冷紅外探測器上，子紅外探測器陣列用于將子孔徑紅外波束轉換為電響應信號，驅(qū)控與圖像預處理模塊用于對電響應信號進行數(shù)字化、配準和校正處理后，得到紅外圖像數(shù)據(jù)并輸出，面陣電控液晶微透鏡還用于根據(jù)調(diào)控信號改變其焦長和通光孔徑，從而調(diào)變聚焦在子紅外探測器上的子孔徑紅外波束的輻射通量，進而改變子紅外探測器的電響應信號強度以及紅外圖像數(shù)據(jù)。陶瓷外殼的側面還設置有第一指示燈，其與驅(qū)控與驅(qū)控與圖像預處理模塊電連接，用于顯示面陣電控液晶微透鏡處在正常工作狀態(tài)，陶瓷外殼的側面還設置有第二指示燈，其與驅(qū)控與圖像預處理模塊電連接，用于顯示面陣非制冷紅外探測器處在正常工作狀 態(tài)，陶瓷外殼的側面還設置有驅(qū)控與圖像信息通訊端口，用于輸出面陣電控液晶微透鏡與面陣非制冷紅外探測器的驅(qū)動和調(diào)控信號，以及輸入面陣非制冷紅外探測器的電響應信號，陶瓷外殼的側面還設置有探測器驅(qū)控和通訊端口，其與驅(qū)控與圖像信息通訊端口電連接，用于輸入面陣非制冷紅外探測器的驅(qū)動和調(diào)控信號，以及輸出電響應信號，陶瓷外殼的側面還設置有微透鏡驅(qū)控信號輸入端口，其與驅(qū)控與圖像信息通訊端口電連接，用于輸入面陣電控液晶微透鏡的驅(qū)動和調(diào)控信號，陶瓷外殼的側面還設置有第三指示燈，其與驅(qū)控與圖像預處理模塊電連接，用于顯示驅(qū)控與圖像預處理模塊處在正常工作狀態(tài)，陶瓷外殼的側面還設置有指令輸入與圖像數(shù)據(jù)輸出端口，用于與外部電子裝置連接以接收工作指令，以及輸出紅外圖像數(shù)據(jù)，陶瓷外殼的側面還設置有第四指示燈，其與驅(qū)控與圖像預處理模塊電連接，用于顯示通訊端口處在正常工作狀態(tài)。陶瓷外殼的底面還設置有電源端口，用于接入電源線以與外部電源連接，陶瓷外殼的底面還設置有第五指示燈，其與驅(qū)控與圖像預處理模塊電連接，用于顯示電源已接通。通過本實用新型所構思的以上技術方案，與現(xiàn)有技術相比，具有以下的有益效果I、探測能力強，由于本實用新型采用面陣電控液晶微透鏡對入射紅外輻射進行離散化處理，以及對子孔徑紅外波束的空間分布狀態(tài)進行電控調(diào)變，從大小兩方面擴展了入射紅外輻射通量的測量范圍，所以本實用新型具有探測能力強的優(yōu)點。2、快速抑制干擾與糾錯，由于本實用新型采用了焦長和通光孔徑電調(diào)變的液晶微透鏡，其具有動態(tài)變焦和電調(diào)能量利用率的特點，所以本實用新型具有快速抑制成像干擾與糾錯的優(yōu)點。3、目標和環(huán)境適應性好，由于本實用新型采用了光學性能可快速調(diào)變的液晶微透鏡，可根據(jù)環(huán)境和目標情況對入射紅外輻射通量進行快速調(diào)節(jié)，所以本實用新型具有目標和環(huán)境適應性好的優(yōu)點。4、探測譜域?qū)挘捎诒緦嵱眯滦筒捎昧朔侵评浼t外探測器，可以對1-3μπι、3-5μπι以及8-14μ m等譜段的紅外光波進行探測，所以本實用新型具有探測譜域?qū)挼膬?yōu)點。5、使用方便，由于本實用新型采用了集成電控液晶微透鏡、非制冷紅外探測器、以及驅(qū)控與圖像預處理模塊這樣的芯片架構，所以本實用新型具有接插方便，易與光學系統(tǒng)、其它電子學和機械裝置耦合的優(yōu)點。

圖I是本實用新型的集成液晶光控陣與面陣光敏結構的紅外成像探測芯片的結構示意圖圖2是本實用新型的集成液晶光控陣與面陣光敏結構的紅外成像探測芯片的原理示意圖。圖I中1_第一指示燈，2-微透鏡驅(qū)控信號輸入端口，3-面陣電控液晶微透鏡，4-第二指示燈，5-探測器驅(qū)控和通訊端口，6-面陣非制冷紅外探測器，7-驅(qū)控與圖像預處 理模塊，8-金屬散熱板，9-驅(qū)控與圖像信息通訊端口，10-第三指示燈，11-指令輸入與圖像數(shù)據(jù)輸出端口，12-第四指示燈，13-電源端口，14-第五指示燈，15-陶瓷外殼。
具體實施方式
為了使本實用新型的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，
以下結合附圖及實施例，對本實用新型進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本實用新型，并不用于限定本實用新型。如圖I所示，本實用新型集成液晶光控陣與面陣光敏結構的紅外成像探測芯片包括陶瓷外殼15、液晶基紅外成像探測架構以及金屬散熱板8。金屬散熱板8設置在陶瓷外殼15后部并與其固聯(lián)，用于對芯片散熱。液晶基紅外成像探測架構設置在陶瓷外殼15內(nèi)，并包括驅(qū)控與圖像預處理模塊
7、面陣非制冷紅外探測器6、以及面陣電控液晶微透鏡3，三者同軸順序設置。每單元電控液晶微透鏡與多個順序排列的非制冷紅外探測器構成的子紅外探測器陣列對應，各子紅外探測器陣列具有相同的探測器數(shù)量和排布方式，子紅外探測器陣列的數(shù)量與面陣電控液晶微透鏡的陣列規(guī)模一致；驅(qū)控與圖像預處理模塊7采用SoC和FPGA結構，用于為面陣電控液晶微透鏡3與面陣非制冷紅外探測器6提供驅(qū)動和調(diào)控信號。面陣電控液晶微透鏡3用于接收目標紅外光波，將目標紅外光波離散成子孔徑紅外波束陣列，并將子孔徑紅外波束聚焦或匯聚在與其對應的單元非制冷紅外探測器上。子紅外探測器陣列用于將子孔徑紅外波束轉換為電響應信號。驅(qū)控與圖像預處理模塊7用于對電響應信號進行數(shù)字化、配準和校正處理后，得到紅外圖像數(shù)據(jù)并輸出。面陣電控液晶微透鏡3還用于根據(jù)調(diào)控信號改變其焦長和通光孔徑，從而調(diào)變聚焦在子紅外探測器上的子孔徑紅外波束的輻射通量，進而改變子紅外探測器的電響應信號強度以及紅外圖像數(shù)據(jù)。陶瓷外殼15的側面還設置有第一指示燈I，其與驅(qū)控與驅(qū)控與圖像預處理模塊7電連接，用于顯示面陣電控液晶微透鏡3處在正常工作狀態(tài)。[0029]陶瓷外殼15的側面還設置有第二指示燈4，其與驅(qū)控與圖像預處理模塊7電連接，用于顯示面陣非制冷紅外探測器6處在正常工作狀態(tài)。陶瓷外殼15的側面還設置有驅(qū)控與圖像信息通訊端口 9，用于輸出面陣電控液晶微透鏡3與面陣非制冷紅外探測器6的驅(qū)動和調(diào)控信號，以 及輸入面陣非制冷紅外探測器6的電響應信號。陶瓷外殼15的側面還設置有探測器驅(qū)控和通訊端口 5，其與驅(qū)控與圖像信息通訊端口 9電連接，用于輸入面陣非制冷紅外探測器6的驅(qū)動和調(diào)控信號，以及輸出電響應信號。陶瓷外殼15的側面還設置有微透鏡驅(qū)控信號輸入端口 2，其與驅(qū)控與圖像信息通訊端口 9電連接，用于輸入面陣電控液晶微透鏡3的驅(qū)動和調(diào)控信號。陶瓷外殼15的側面還設置有第三指示燈10，其與驅(qū)控與圖像預處理模塊7電連接，用于顯示驅(qū)控與圖像預處理模塊7處在正常工作狀態(tài)。陶瓷外殼15的側面還設置有指令輸入與圖像數(shù)據(jù)輸出端口 11，用于與外部電子裝置連接以接收工作指令，以及輸出紅外圖像數(shù)據(jù)。陶瓷外殼15的側面還設置有第四指示燈12，其與驅(qū)控與圖像預處理模塊7電連接，用于顯示通訊端口 11處在正常工作狀態(tài)。陶瓷外殼15的底面還設置有電源端口 13，用于接入電源線以與外部電源連接。陶瓷外殼15的底面還設置有第五指示燈14，其與驅(qū)控與圖像預處理模塊7電連接，用于顯示電源已接通。以下參考圖2描述本實用新型的工作原理如圖所示，面陣非制冷紅外探測器與具有同等陣列規(guī)模的電控液晶微透鏡、以及驅(qū)控與圖像預處理模塊混合集成，構成液晶基紅外成像探測架構。液晶器件與紅外探測器的組合方式為每單元液晶微透鏡與每單元紅外探測器一一對應。對單元液晶微透鏡而言，通過改變微透鏡的驅(qū)動電壓信號幅度，可使微透鏡對入射光束呈現(xiàn)不同的匯聚狀態(tài)，如典型的散焦和聚焦等，從而改變分布在紅外探測器上的光能量強度，進而產(chǎn)生不同幅度的光電響應信號?；谖⑼哥R或探測器位置順序的光電響應信號，通過驅(qū)控與圖像預處理模塊數(shù)字化，再經(jīng)配準和校準處理，獲取紅外圖像數(shù)據(jù)并輸出。由幅度不同的電壓信號驅(qū)控下的液晶微透鏡，其光學匯聚能力不同。這種情形可用常規(guī)的表面曲率不同的曲面輪廓折射微透鏡具有不同的光學匯聚能力來等效，如圖示的液晶微透鏡陣列其等效電控狀態(tài)-I、-2和-3等。利用液晶微透鏡的電控變焦和電調(diào)通光孔徑特性，一方面可以根據(jù)目標及背景情況，增大或減小投送到探測器上的紅外輻射通量，從而增大或減小圖像目標的紅外能量測量范圍，以及降低液晶微透鏡間的光串擾噪聲；另一方面，通過上述電調(diào)作用，可使突發(fā)的環(huán)境或?qū)剐砸蛩卣T發(fā)的光學擾動或干擾，得到一定程度的抑制或較正，從而提高獲取紅外圖像信息的準確性和環(huán)境適應能力，因而具備一定的自我糾錯能力。以下簡要介紹本實用新型的操作過程操作時，首先用并行控制和信號線連接微透鏡驅(qū)控信號輸入端口 2、探測器驅(qū)控和通訊端口 5、以及驅(qū)控與圖像信息通訊端口 9 ;用并行通訊線插入通訊端口 11 ;電源線連接到電源端口 13上。然后通過并行通訊線送入電源開啟指令，芯片開始自檢，此時第一指示燈I、第二指示燈4、第三指示燈10、第四指示燈12、以及第五指示燈14接通閃爍，自檢通過后第一指示燈I、第二指示燈4、第三指示燈10、以及第四指示燈12熄滅，芯片進入工作環(huán)節(jié)。通過并行通訊線送入工作指令后，芯片開始進行成像探測操作。光電響應信號由探測器驅(qū)控和通訊端口 5送入驅(qū)控與圖像預處理模塊7，此時第二指示燈4、第三指示燈10再次接通閃爍。經(jīng)驅(qū)控與圖像預處理模塊7處理后的紅外圖像數(shù)據(jù)，由驅(qū)控與圖像信息通訊端口 9輸出。本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本實用新型的較佳實施例而已，并不用以限制本實用新型，凡在本實用新型的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本實用新型的保護范圍之內(nèi)。
權利要求1.一種集成液晶光控陣與面陣光敏結構的紅外成像探測芯片，其特征在于， 包括陶瓷外殼、液晶基紅外成像探測架構以及金屬散熱板； 所述金屬散熱板設置在所述陶瓷外殼后部并與其固聯(lián)，用于對芯片散熱； 所述液晶基紅外成像探測架構設置在所述陶瓷外殼內(nèi)，并包括驅(qū)控與圖像預處理模塊、面陣非制冷紅外探測器、以及面陣電控液晶微透鏡，三者同軸順序設置； 每單元電控液晶微透鏡與多個順序排列的非制冷紅外探測器構成的子紅外探測器陣列對應，所述各子紅外探測器陣列具有相同的探測器數(shù)量和排布方式，所述子紅外探測器陣列的數(shù)量與所述面陣電控液晶微透鏡的陣列規(guī)模一致； 所述驅(qū)控與圖像預處理模塊采用SoC和FPGA結構，用于為所述面陣電控液晶微透鏡與所述面陣非制冷紅外探測器提供驅(qū)動和調(diào)控信號； 所述面陣電控液晶微透鏡用于接收目標紅外光波，將所述目標紅外光波離散成子孔徑紅外波束陣列，并將所述子孔徑紅外波束聚焦或匯聚在與其對應的單元非制冷紅外探測器上； 所述子紅外探測器陣列用于將所述子孔徑紅外波束轉換為電響應信號； 所述驅(qū)控與圖像預處理模塊用于對所述電響應信號進行數(shù)字化、配準和校正處理后，得到紅外圖像數(shù)據(jù)并輸出； 所述面陣電控液晶微透鏡還用于根據(jù)所述調(diào)控信號改變其焦長和通光孔徑，從而調(diào)變聚焦在所述子紅外探測器上的子孔徑紅外波束的輻射通量，進而改變所述子紅外探測器的電響應信號強度以及所述紅外圖像數(shù)據(jù)。
2.根據(jù)權利要求I所述的集成液晶光控陣與面陣光敏結構的紅外成像探測芯片，其特征在于， 所述陶瓷外殼的側面還設置有第一指示燈，其與所述驅(qū)控與所述驅(qū)控與圖像預處理模塊7電連接，用于顯示所述面陣電控液晶微透鏡處在正常工作狀態(tài)； 所述陶瓷外殼的側面還設置有第二指示燈，其與所述驅(qū)控與圖像預處理模塊電連接，用于顯示所述面陣非制冷紅外探測器處在正常工作狀態(tài)； 所述陶瓷外殼的側面還設置有驅(qū)控與圖像信息通訊端口，用于輸出所述面陣電控液晶微透鏡與所述面陣非制冷紅外探測器的驅(qū)動和調(diào)控信號，以及輸入所述面陣非制冷紅外探測器的電響應信號； 所述陶瓷外殼的側面還設置有探測器驅(qū)控和通訊端口，其與所述驅(qū)控與圖像信息通訊端口電連接，用于輸入所述面陣非制冷紅外探測器的驅(qū)動和調(diào)控信號，以及輸出所述電響應信號； 所述陶瓷外殼的側面還設置有微透鏡驅(qū)控信號輸入端口，其與所述驅(qū)控與圖像信息通訊端口電連接，用于輸入所述面陣電控液晶微透鏡的驅(qū)動和調(diào)控信號； 所述陶瓷外殼的側面還設置有第三指示燈，其與所述驅(qū)控與圖像預處理模塊電連接，用于顯示所述驅(qū)控與圖像預處理模塊處在正常工作狀態(tài)； 所述陶瓷外殼的側面還設置有指令輸入與圖像數(shù)據(jù)輸出端口，用于與外部電子裝置連接以接收工作指令，以及輸出紅外圖像數(shù)據(jù)； 所述陶瓷外殼的側面還設置有第四指示燈，其與所述驅(qū)控與圖像預處理模塊電連接，用于顯示所述通訊端口處在正常工作狀態(tài)。
3.根據(jù)權利要求I所述的集成液晶光控陣與面陣光敏結構的紅外成像探測芯片，其特征在于， 所述陶瓷外殼的底面還設置有電源端口，用于接入電源線以與外部電源連接； 所述陶瓷外殼的底面還設置有第五指示燈，其與所述驅(qū)控與圖像預處理模塊電連接，用于顯示電源已接通。
專利摘要本實用新型公開了一種集成液晶光控陣與面陣光敏結構的紅外成像探測芯片，包括陶瓷外殼、液晶基紅外成像探測架構以及金屬散熱板，金屬散熱板設置在陶瓷外殼后部并與其固聯(lián)，用于對芯片散熱，液晶基紅外成像探測架構設置在陶瓷外殼內(nèi)，并包括驅(qū)控與圖像預處理模塊、面陣非制冷紅外探測器、以及面陣電控液晶微透鏡，三者同軸順序設置，每單元電控液晶微透鏡與多個順序排列的非制冷紅外探測器構成的子紅外探測器陣列對應，各子紅外探測器陣列具有相同的探測器數(shù)量和排布方式。本實用新型具有結構緊湊，覆蓋多個紅外譜段，紅外成像探測效能高，基于液晶光控陣快速控光的成像干擾抑制與糾錯，易與其它光學/光電/機械結構耦合，環(huán)境適應性好的特點。
文檔編號G01J5/10GK202793600SQ201220437298
公開日2013年3月13日 申請日期2012年8月30日 優(yōu)先權日2012年8月30日
發(fā)明者張新宇, 佟慶, 康勝武, 桑紅石, 謝長生 申請人:華中科技大學