專利名稱：一種基于液晶的單鏡頭局部選通成像探測器的制作方法
技術領域：
本發明屬于光電子探測技術領域，涉及一種局部選通成像探測器，具體 涉及一種基于液晶的單鏡頭局部選通成像探測器。
背景技術：
目前，大多數探測器都要求能夠在復雜多變的環境條件下，具有較大的 動態探測范圍和較寬的環境照度適應能力。例如，軍用微光夜視儀，在工作
過程中會遇到各種復雜的光照條件，進入感光元件CCD (charge couple device)的光通量不斷發生變化，當目標或背景照度超過探測器的閾值時， 熒光屏就無法分辨出探測物體的圖像細節，嚴重影響到使用者的視覺觀察效 果。探測器的探測范圍和成像能力都與進入CCD的光通量有密切的關系， 因此，CCD光通量的合理控制是提高探測范圍和成像質量的有效手段。
為了提高探測器的探測上限，實現強光選通探測，通常采用在探測器中 加入光圈、濾頻片或變密度板等光學器件對光通量進行削弱。近幾年，也有 在光學系統中加入電子快門的探測器，如利用選通電源通過脈沖調制進行自 動光強控制來保護強光條件下工作的像增強器。上述這些探測器均為整體選 通控制，對某個局部區域過強的光無法進行控制。
專利申請《一種基于液晶板自動控制光強實現局部選通的探測器》(申 請號200810151198.8，
公開日2009.02.18，公開號101368846A),公開了一 種實現局部選通的探測器，對液晶板各像素點的光強透過率進行控制，實現光強自動控制局部選通，使得成像系統在105lx高光強照度下，能正常工作 和清晰成像，擴大了探測器的動態使用范圍，但該探測器采用雙鏡頭，在探 測成像過程中由于視差和像差的影響，造成圖像畸變失真，而且結構復雜， 效率較低。
發明內容
本發明的目的是提供一種基于液晶的單鏡頭局部選通成像探測器，不僅 實現了光強的自動控制局部選通，在105k高光強照度下清晰成像，而且避 免了視差和像差的影響，產生不畸變失真的圖像，同時，具有結構簡單、效 率較高的特點。
本發明所采用的技術方案， 一種基于液晶的單鏡頭局部選通成像探測 器，包括底座，底座的一端固接有卡口，卡口的上表面設置有翻蓋，底座的 另一端固接有顯示屏，顯示屏的上表面固接有風扇，底座、卡口、翻蓋、風 扇和顯示屏構成一個中空的殼體，該殼體外、卡口的一端安裝有鏡頭，該殼 體內、底座的上表面固接有支架，支架上、沿鏡頭到顯示屏的方向依次設置 有HTPS液晶片、光纖光錐、CCD感光元件和CCD板機，HTPS液晶片、 光纖光錐和CCD感光元件同軸設置，支架與顯示屏之間、沿鏡頭到顯示屏 的方向依次設置有電源模塊、圖像處理模塊和液晶驅動模塊，液晶驅動模塊 通過HTPS液晶片信號線與HTPS液晶片相連接。
本發明的特征還在于，
HTPS液晶片選用高溫多晶硅薄膜晶體管液晶顯示片HTPS TFT-LCD， 該液晶顯示片通過光纖光錐與CCD感光元件耦合成一個整體。
圖像處理模塊的結構包括圖像處理計算單元分別與VGA顯示器、VGA編碼器、片上存儲器和Avalon總線相連接，片上存儲器至少為兩個，Avalon 總線通過視頻解碼器與CCD板機相連接，VGA顯示器與VGA編碼器相連 接。
圖像處理計算單元采用Cyclone IIEP2C20F484C7芯片。 視頻解碼器采用ADV7187視頻解碼芯片。 本發明成像探測器具有如下優點
1. 采用HTPS液晶片對目標景物的光強進行局部透光控制，在強光條件 下保護了感光器件及顯示屏，構成一種更有實用價值的成像探測器。
2. 單鏡頭系統結構有效地解決了雙鏡頭以及其他成像系統由于視差和像 差所帶來的圖像畸變，并把CCD感光元件作為實時取景單元，使得成像探 測器輕便、高效和小型化。
3. 光錐耦合的方式大大提高了有效光的利用率，并且滿足了單鏡頭成系 統對成像和感光器件之間像素逐點一一對應的苛刻要求。
圖1是本發明探測器一種實施例的結構示意圖； 圖2是本發明探測器中液晶板的透過率與灰度色階的關系曲線圖； 圖3是本發明探測器中控制電路的動作流程圖； 圖4是本發明探測器中圖像處理模塊的結構示意圖； 圖5是本發明圖像處理模塊擬合的圖像處理曲線圖； 圖6是本發明探測器中液晶驅動模塊的設計原理圖。 圖中，l.鏡頭，2.翻蓋，3.HTPS液晶片，4.HTPS液晶片信號線，5.CCD 感光元件，6.電源模塊，7.液晶驅動模塊，8.風扇，9.顯示屏，IO.顯示屏信號線，ll.圖像處理模塊，12.電路板信號線，13.CCD板機，14.光纖光錐，15. 支架，16.底座，17.卡口, 18.螺釘，19.鐵絲，20.Avalon總線，21.圖像處理 計算單元，22.VGA顯示器，23.VGA編碼器，24.片上存儲器，25.視頻解碼
器o
具體實施例方式
下面結合附圖和具體實施方式
對本發明進行詳細說明。
本發明成像探測器的結構，如圖1所示，包括底座16,底座16的一端、 其上表面固接有豎直設置的卡口 17，卡口 17的上表面設置有翻蓋2，底座 16、卡口 17和翻蓋2均采用黑色有機玻璃制成，底座16的另一端固接有顯 示屏9，顯示屏9的上表面固接有風扇8，底座16、卡口 17、翻蓋2、風扇 8和顯示屏9構成一個中空的殼體。該殼體外、卡口 17的一端安裝有鏡頭1， 該殼體內、底座16的上表面固接有支架15，支架15上、沿鏡頭1到顯示屏 9的方向依次設置有HTPS液晶片3、光纖光錐14、 CCD感光元件5和CCD 板機13， HTPS液晶片3、光纖光錐14和CCD感光元件5同軸設置，光纖 光錐14分別與HTPS液晶片3和CCD感光元件5無縫貼合，HTPS液晶片 3與CCD感光元件5通過鐵絲19相連接，并通過螺釘18固接于支架15。 支架15與顯示屏9之間、沿鏡頭1到顯示屏9的方向依次設置有電源模塊6、 圖像處理模塊11和液晶驅動模塊7。液晶驅動模塊7通過HTPS液晶片信號 線4與HTPS液晶片3相連接。HTPS液晶片3位于鏡頭1的焦平面，顯示 屏9與液晶驅動模塊7通過顯示屏信號線10相連接，CCD板機13與圖像 處理模塊11之間設置有電路板信號線12。
本發明探測器中主要部件的結構及工作原理1.HTPS液晶片3
HTPS液晶片3選用高溫多晶硅薄膜晶體管液晶片HTPS TFT-LCD。 TFT-LCD中所用的是扭曲向列(Twisted Nematic，簡稱TN)型液晶，當一 束線偏振光垂直通過液晶盒時，其偏振方向將隨液晶分子的扭曲發生旋轉， 其總扭曲角恰等于90°。若無外加電場，出射光強最大；當在兩基片電極上 加一定電壓時，液晶分子傾斜，出射光強隨之發生變化；當外加電場足夠強 時，幾乎所有液晶分子都傾斜90°，入射到液晶盒上的線偏振光的振動方向 將不發生旋轉，出射光強為零。因此，出射光可通過外電場(驅動電壓)來 調制。TFT-LCD液晶片的透明電極一般采用大規模集成電路工藝制作，具有 像元結構的TFT-LCD液晶片的各像元可獨立接受電信號控制，從而控制各 像元對光的調制，它可直接由視頻顯示信號來驅動。對于數字圖像的單個像 素來說，其灰度色階值和電壓之間呈線性對應關系。像素灰度色階與液晶片 透過率的關系曲線圖，如圖2所示，當輸入圖像單個像素的灰度色階值為250 時，對應的HTPS液晶片3的透過率約為26%;當輸入圖像單個像素的灰度 色階值為0時，對應的HTPS液晶片3的透過率約為1.28%。
HTPS液晶片3的寬容度L，可通過以下公式計算得到
五-2.5x21 (1) (1)式中，E表示照度，單位lx;L表示寬容度，單位EV。
HTPS液晶片3的色階值由250變化到0時，寬容度變化了大約4EV值。 相當于HTPS液晶片3將CCD感光元件5的寬容度提高了大約4EV值。因 此，通過改變HTPS液晶片3各個像素點的色階值，能緩和圖像對比度，進 而體現出圖像的細節。HTPS液晶片3通過外部信號電壓精確控制每個像素點內液晶分子的矢傾斜角，調節每個像素上液晶分子的光透過率，進而控制
到達CCD上每個像素的光通量，提升了系統的探測范圍。 2.光纖光錐14:
光錐是繼光纖面板和光纖倒像器之后的又一硬光纖錐形傳像器件。與光 纖面板一樣，光錐也是依靠成千上萬融合在一起的光學纖維細絲傳遞不同的 象素，實現傳像功能。光纖光錐14的纖維細絲成六方密排結構，光線在其 中按折線路徑傳播。它提供了一種放大或縮小的無畸變的圖像傳輸。光纖光 錐14耦合CCD感光元件5時，由于材料不同，兩者的兼容性不好，因此， 光纖光錐14與CCD感光元件5的耦合難度較大。HTPS液晶片3與光纖光 錐14具有較好的兼容性，將HTPS液晶片3與光纖光錐14置于光學平臺上 進行激光準直，然后將二者緊密貼合，即完成光纖光錐14與HTPS液晶片3 的耦合。
圖像處理模塊11、液晶驅動模塊7和電源模塊6構成控制電路，該控制 電路的動作流程圖，如圖3所示，CCD感光元件5感知鏡頭1攝取的圖像 信息，并將該圖像信息傳輸至CCD板機13， CCD板機13對接收到的圖像 信息進行濾波整形，然后，將處理后的圖像信息傳送至圖像處理模塊ll，圖 像處理模塊11將接收到的圖像信息進行運算處理，并將處理后的圖像信息 傳輸至液晶驅動模塊7，液晶驅動模塊7根據接收到的圖像信息產生HTPS 液晶片3正常工作的顯示時序，并通過該顯示時序控制HTPS液晶片3輸出 圖像。
CCD板機13輸出ITU-RBT.601/656 YUV標準PAL (Phase Alternating Line)格式信號。PAL格式信號采用逐行倒相正交平衡調幅的技術方法，克服了 NTSC制相位敏感造成色彩失真的缺點。對同時傳送的兩個色差信號 中的一個色差信號采用逐行倒相，另一個色差信號進行正交調制。在信號傳 輸過程中如果信號發生相位失真，則相鄰兩行相位相反的信號，互相補償， 有效地克服了因相位失真引起的色彩變化。因此，PAL制對相位失真不敏感, 圖像彩色誤差較小，特點是625線，每秒25格，隔行掃描，采用ITU-RB T.601/656YUV色彩編碼，進行圖像處理時，可以對不同區域的亮度進行更 精準的區分。
本發明探測器中圖像處理模塊ll的結構，如圖4所示，圖像處理模塊l 1的結構包括圖像處理計算單元21分別與VGA顯示器22、 VGA編碼器 23、片上存儲器24和Avalon總線20相連接，片上存儲器24至少為兩個， Avalon總線20與視頻解碼器25相連接，視頻解碼器25 CCD板機13相連 接，VGA顯示器22與VGA編碼器23相連接。圖像處理計算單元21采用 Cyclone II EP2C20F484C7芯片。該芯片提供18752個邏輯單元，具有26 個嵌入式18x18乘法器，4個PLL，最多315個用戶I/0管腳，132個差分 通道，提供EPCS4串行配置芯片，并支持并行計算，滿足系統對計算速度 的要求。圖像處理計算單元21無法對CCD板機13輸出的PAL格式的模擬 信號進行直接處理，必須通過視頻解碼器25對PAL信號進行高速高精度采 樣。視頻解碼器25采用ADV7181視頻解碼芯片，該視頻解碼芯片可以自動 檢測NTSC、 PAL和SECAM等標準的復合電視信號，并將該復合電視信號 轉換為16位或8位的ITU 656 YUV 4 : 2 : 2的視頻數據輸出格式。視頻 解碼芯片寄存器的取值分為默認值和設置值。默認值是芯片復位后的寄存器 缺省取值，設置值是通過I2C總線對控制寄存器的默認值進行修改，重新設定視頻解碼芯片的各種功能。通過圖像處理模塊ll的電路控制I2C總線， 對視頻解碼芯片進行寄存器配置，將其設置為PAL制式輸入，以27MHz的 時鐘進行A/D轉換，并輸出16位格式為ITU 656 YUV 4:2:2的數字信 號。其中Y通道的數據是逐點像素的亮度信息。用硬件描述語言在芯片內部 邏輯單元上生成至少兩個片上存儲單元做乒乓操作運算，用于隔行到逐行掃 描順序的改變，在處理灰度圖像信息之前做信號的預處理。
圖像處理模塊11中的圖像處理計算單元21通過調整輸入輸出亮度值的 函數關系，調整HTPS液晶片3逐點像素的亮度。根據輸入輸出數據進行直 線擬合，得到如圖5所示的圖像處理曲線，在輸入灰度值較低的A區，系統 輸出高亮的白色，在輸入灰度值較高的A+B和A+2B等區，系統輸出較黑 的圖像。基于圖像處理計算單元21的FPGA處理系統不支持浮點運算，因 此，為避免出現浮點，參數A和B必須滿足一定的數學關系。成像系統前 端采集到的圖像不同，對該圖像進行處理時的圖像校正也不相同。為了對各 種圖像中不同亮度區域的灰度進行自由調整，采用開關組選擇不同的圖像校 正曲線。開關組采用撥擋開關，每三個為一組，共五組，以二進制編碼為基 礎，共有215種不同的組合模式，足以滿足各種圖像的要求。以下是基于硬 件描述語言Verilog的部分核心處理算法 <formula>formula see original document page 11</formula>begin
if (Yw<64)
Y—transform=255-(64-Yw)*(7-X5); else if(Yw<96)
Y_transform=32*(X5+l)-(160-Yw)*(X5-X4); else if(Yw<128)
Y—transform=3 2* (X4+1 )國(128-Yw)* (X4-X5); else if(Yw<160)
Y_transform=32*(X3+l)-(160-Yw)*(X3-X4); else if(Yw<192)
Y_transform=32*(X2+1 )-(l 92-Yw)*(X2-X3); else if (Yw<224)
Y—transform=32*(Xl+l)-(224-Yw)*(Xl-X2); else
Y_transform=(255-Yw)*X 1;
end
end
always劍CLOCK)
Y—temp=Y_transformj 圖像處理計算單元21控制VGA編碼器23將經過處理的YUV信號轉 換成VGA接口的RGB編碼，以滿足液晶驅動模塊7采用的VGA接口，同 時，圖像處理計算單元21還需產生VGA編碼顯示所需的標準時序。探測器中液晶驅動模塊7的工作原理圖，如圖6所示。液晶驅動模塊7 由信號處理器、采樣/保持驅動器、脈沖發生器和鎖相器組成，用5V電源供 電直接驅動HTPS液晶片3。圖像處理模塊11產生的水平同步信號輸入到鎖 相器，鎖相器向HTPS液晶片3輸出VGA、 SVGA和XGA分辨率等，圖 像處理模塊11產生的垂直同步信號輸入脈沖發生器。脈沖發生器內部的串 行接口電路，通過I2C總線外部控制實現對寄存器的配置。R， G， B三路 獨立的視頻信號經信號處理器進行增益和偏壓調整矯正，并將調整后的信號 輸入到采樣/保持驅動器，采樣/保持驅動器將接收到的視頻信號直接輸入 HTPS液晶片3， HTPS液晶片3將接收到的視頻信號進行顯示。
電源模塊6為圖像處理模塊11、液晶驅動模塊7以及風扇8分別提供 5V、 12V和20V三種不同伏值的電壓。
本發明成像探測器的工作原理
鏡頭1將目標物成像在HTPS液晶片3的起偏器平面上，形成圖像信息， 光纖光錐14按照單像素一一對應的關系將該圖像信息傳遞至CCD感光元件 5的像敏面上，完成光信息的高效采集。CCD感光元件5將接收到的圖像信 息轉變為電壓信號，并將該電壓信號傳輸給CCD板機13， CCD板機13將 接收到的電壓信號通過解碼和采樣轉換為數字信號，并將該數字信號通過電 路板信號線12輸送至圖像處理模塊11。圖像處理模塊11將接收的數字信號 轉變為圖像逐個像素的亮度信號，并根據預先設置的閾值函數關系對該亮度 信號進行重新調整，將調整后的信號再按照亮度與色彩空間的轉換關系，轉 變為彩色數字信號，并將該彩色數字信號輸入液晶驅動模塊7。液晶驅動模 塊7將接收到的彩色數字信號進行相應時序處理后，通過HTPS液晶片信號線4輸送至HTPS液晶片3，完成電信號的高效處理。橫縱分布在HTPS液 晶片3每個像素點上的高溫聚硅透明電極將會根據接收到的電信號，控制液 晶分子的旋轉方向，顯示出一幅局部選通的圖像。
上述過程為視頻圖像第一幀的采集和處理，在此過程中CCD感光元件 5起到測光的作用。當第二幀圖像通過鏡頭1再次在HTPS液晶片3起偏器 平面成像的時候，會與之前HTPS液晶片3上顯示的局部選通圖像進行疊加， 在光纖光錐14耦合HTPS液晶片3的一面重新合成一張各個像素點光強被 調整過的圖像。此圖像經過光纖光錐14耦合在CCD感光元件5的像敏面產 生電信號，該電信號經過CCD板機13處理后，送入圖像處理模塊ll。圖像 處理模塊11再次根據預設閾值關系進行逐點像素亮度值的匹配，并且把匹 配之前的圖像通過顯示屏信號線10輸送給顯示屏9顯示圖像，經過逐點亮 度調整的圖像再次輸送至液晶驅動模塊7，并通過HTPS液晶片3予以顯示。 第三幀及以后的各幀視頻圖像將重復第二幀圖像的處理過程，直到當前圖像 的各個像素亮度值都滿足了預設條件，圖像處理模塊11將不再對選通圖像 做進一步處理，顯示屏9上將顯示一張對比度經過了緩和、細節被體現的圖 像。此時，整個閉環反饋系統將達到一個穩定的平衡點，實現了成像系統在 105k光強照度下的正常工作和清晰成像。
此外，如果圖像處理模塊11不對CCD板機13的輸出信號在亮度信息 上做任何改變，即HTPS液晶片3上只顯示CCD板機13實時采集到的圖像 而不顯示選通圖像。那么，顯示屏9上顯示的圖像與不加HTPS液晶片3成 像的圖像相比，圖像的對比度就會得到增強。這有利于成像探測器在模糊的 環境之下探測出清晰的目標物體，大大提高了探測器適應環境變化的能力。本發明探測器不僅實現了光強的自動控制局部選通，在1051\高光強照 度下能夠清晰成像，而且避免了視差和像差的影響，使產生的圖像不畸變失 真，同時，具有結構簡單、效率較高的特點。
權利要求
1.一種基于液晶的單鏡頭局部選通成像探測器，其特征在于，包括底座(16)，底座(16)的一端固接有卡口(17)，卡口(17)的上表面設置有翻蓋(2)，底座(16)的另一端固接有顯示屏(9)，顯示屏(9)的上表面固接有風扇(8)，底座(16)、卡口(17)、翻蓋(2)、風扇(8)和顯示屏(9)構成一個中空的殼體，該殼體外、卡口(17)的一端安裝有鏡頭(1)，該殼體內、底座(16)的上表面固接有支架(15)，支架(15)上、沿鏡頭(1)到顯示屏(9)的方向依次設置有HTPS液晶片(3)、光纖光錐(14)、CCD感光元件(5)和CCD板機(13)，HTPS液晶片(3)、光纖光錐(14)和CCD感光元件(5)同軸設置，支架(15)與顯示屏(9)之間、沿鏡頭(1)到顯示屏(9)的方向依次設置有電源模塊(6)、圖像處理模塊(11)和液晶驅動模塊(7)，液晶驅動模塊(7)通過HTPS液晶片信號線(4)與HTPS液晶片(3)相連接。
2. 根據權利要求1所述的探測器，其特征在于，所述的HTPS液晶片(3) 選用高溫多晶硅薄膜晶體管液晶顯示片HTPSTFT-LCD,該液晶顯示片通過 光纖光錐(14)與CCD感光元件(5)耦合成一個整體。
3. 根據權利要求1所述的探測器，其特征在于，圖像處理模塊(11)的 結構包括圖像處理計算單元(21)分別與VGA顯示器(22)、 VGA編碼 器(23)、片上存儲器(24)和Avalon總線(20)相連接，片上存儲器(24) 至少為兩個，Avalon總線(20)通過視頻解碼器(25)與CCD板機(13) 相連接，VGA顯示器(22)與VGA編碼器(23)相連接。
4. 根據權利要求3所述的探測器，其特征在于，所述的圖像處理計算單元(21)采用Cyclone II EP2C20F484C7芯片。
5.根據權利要求3所述的探測器，其特征在于，所述的視頻解碼器(25) 采用ADV7187視頻解碼芯片。
全文摘要
一種基于液晶的單鏡頭局部選通成像探測器，包括由卡口、翻蓋、風扇和顯示屏構成的中空殼體，殼體外卡口的一端安裝有鏡頭，殼體內、底座上表面固接有支架，支架上、沿鏡頭到顯示屏的方向依次設置有HTPS液晶片、光纖光錐、CCD感光元件和CCD板機，HTPS液晶片、光纖光錐和CCD感光元件同軸設置，支架與顯示屏之間、沿鏡頭到顯示屏的方向依次設置有電源模塊、圖像處理模塊和液晶驅動模塊，液晶驅動模塊通過HTPS液晶片信號線與HTPS液晶片相連接。本探測器不僅實現了光強的自動控制局部選通，在10<sup>5</sup>lx高光強照度下能夠清晰成像，而且避免了視差和像差的影響，使產生的圖像不畸變失真，并具有結構簡單、效率較高的特點。
文檔編號G01J1/00GK101576410SQ20091002296
公開日2009年11月11日 申請日期2009年6月17日 優先權日2009年6月17日
發明者鍇 劉, 娜 葉, 唐遠河, 張瑞霞, 卿 李, 楊旭三, 元 梁, 趙高翔, 郜海陽 申請人:西安理工大學