一種液晶基單眼復眼一體化成像探測芯片的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種液晶基單眼復眼一體化成像探測芯片，包括陶瓷外殼、金屬支撐和散熱板、以及單眼復眼一體化成像探測架構，陶瓷外殼后部固置于金屬支撐和散熱板頂部，單眼復眼一體化成像探測架構設置于陶瓷外殼內，并包括同軸順序設置的驅控與圖像預處理模塊、面陣可見光探測器以及面陣電控液晶成像微透鏡，面陣電控液晶成像微透鏡用于從陶瓷外殼頂部開口接收可見光，并將該可見光聚焦到面陣可見光探測器，驅控與圖像預處理模塊通過通訊與控制信號輸出端口接收來自于外部的工作信號，根據該工作信號生成驅動信號。本實用新型的液晶基單眼復眼一體化成像探測芯片具有結構緊湊，使用方便，易與常規成像光學系統耦合，目標和環境適應性好等特點。
【專利說明】一種液晶基單眼復眼一體化成像探測芯片
【技術領域】
[0001]本實用新型屬于成像探測【技術領域】，更具體地，涉及一種液晶基單眼復眼一體化成像探測芯片。
【背景技術】
[0002]昆蟲如蒼蠅、蜻蜓和蜜蜂等的復眼，具有多重并行成像探測以及感知識別運動目標能力。具備基于成像的光學性能諸如焦長、焦深、焦斑位置和尺寸、通光孔徑以及點擴散函數等的調變功能，呈現較好的環境和目標適應性。迄今為止，通過模仿昆蟲復眼發展了多種高效能成像探測器材，如典型的同位復眼相機，基于CCD、CMOS或FPAs等的復眼成像探測架構，微自聚焦晶椎仿生復眼，基于多眼并行的小型化寬視場大景深成像探測，基于復眼的全向探測以及穩定航跡的飛控、導航、定位、偵察、監視與跟蹤等。目前，通過對昆蟲復眼其成像探測視覺機理的深入分析、模擬、再現和功能擴展，充分利用復眼的體積小、重量輕、視場大、靈敏度高、具備速度與加速度的矢量可測性、以及多重高精度定位等特性，已成為視覺仿生成像探測技術的研發熱點，受到廣泛關注和重視。
[0003]迄今為止所發展的，通過耦合特定形態的折射或衍射微透鏡與光敏陣列構造復眼成像探測架構這一方式，已表現出若干缺陷，諸如:(一)所采用的特定表面輪廓形貌的陣列化微透鏡僅具有固定的光學性能，無調焦、調變點擴散函數以及變換視場等能力，環境和目標適應性差；(二)常規微透鏡陣列中的每單元成像微透鏡因僅能匹配有限規模的子光敏陣列，空間分辨率、圖像清晰度和對比度低，細節再現能力弱，圖像層次感嚴重不足，目標圖像的完備性差；(三)無法基于復眼的低空間分辨率和小尺寸多重圖像，反演出目標的常規高空間分辨率和大尺寸清晰圖像；(四)實現成像調焦或對焦需要通過多組級聯布置的匯聚或發散微透鏡陣列間的機械移動進行，響應慢、狀態轉換耗時長以及慣性大，需匹配復雜精密的輔助驅控裝置，因運動姿態的本征連續性無法執行任意的光學狀態切入或跳變，光學變換能力有限；(五)難以將基于面陣微透鏡與光敏陣列耦合的仿生復眼結構芯片化。
[0004]近些年來，具備可以有效匯聚或發散光波，以陣列形式對入射光場進行可調變處理的液晶微透鏡技術發展迅速，為解決上述問題提供了新思路。目前已具備的主要功能包括:(一)基于圖案化電極驅控的微米厚度液晶材料，可對行進光波執行可調變的陣列化電控匯聚或發散處理；(二)液晶微透鏡的成像探測可依照電參數情況，在任意選取的電控光學狀態上展開或快速切換，可接受先驗知識或成像情況的約束、干預或引導；(三)平面端面的液晶微透鏡可與CCD、CMOS或FPAs等大面陣光敏結構耦合甚至集成；(四)液晶微透鏡的驅控操作可基于低功率信號進行，液晶器件功耗可低至微瓦級，驅控裝置可小微型化甚至與液晶結構集成。目前，發展光學成像操作可電控進行的面陣液晶成像微透鏡技術，實現可隨環境和目標情況進行調變的仿生復眼成像操作，已成為發展高性能成像探測技術的熱點和難點問題，迫切需要新的突破。實用新型內容
[0005]針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本實用新型提供了一種液晶基單眼復眼一體化成像探測芯片，其具有結構緊湊，工作在可見光譜段，目標和環境適應性好，體積和質量小，高低空間分辨率兼容，易與其它光學光電機械結構耦合的優點。
[0006]為實現上述目的，按照本實用新型的一個方面，提供了一種液晶基單眼復眼一體化成像探測芯片，包括陶瓷外殼、金屬支撐和散熱板、以及單眼復眼一體化成像探測架構，陶瓷外殼后部固置于金屬支撐和散熱板頂部，單眼復眼一體化成像探測架構設置于陶瓷外殼內，并包括同軸順序設置的驅控與圖像預處理模塊、面陣可見光探測器以及面陣電控液晶成像微透鏡，面陣電控液晶成像微透鏡用于從陶瓷外殼頂部開口接收可見光，并將該可見光聚焦到面陣可見光探測器，驅控與圖像預處理模塊通過通訊與控制信號輸出端口接收來自于外部的工作信號，根據該工作信號生成驅動信號，并通過面陣可見光探測器驅控信號輸入端口將該驅動信號發送到面陣可見光探測器，面陣可見光探測器根據驅動信號對可見光進行光電轉換，并對轉換后的電信號進行預處理，以生成光電信號，并通過光電信號輸入端口將該光電信號傳送到驅控與圖像預處理模塊上的光電信號輸入端口，驅控與圖像預處理模塊對光電信號進行預處理，以生成圖像數據，并通過圖像數據輸出端口將圖像數據發送到液晶基單眼復眼一體化成像探測芯片外部的信息處理機，驅控與圖像預處理模塊還用于判斷是否從外部的信息處理機接收到指令信號，若收到則生成驅動和調控信號，并通過面陣電控液晶成像微透鏡驅控信號輸入端口將該驅動和調控信號發送到面陣電控液晶成像微透鏡，若沒有收到則繼續接收來自面陣可見光探測器的光電信號，面陣電控液晶成像微透鏡還用于根據驅動和調控信號調節自身的焦距，并繼續從陶瓷外殼頂部開口接收可見光。
[0007]優選地，本實用新型的芯片還包括電源端口，其設置于陶瓷外殼的底面，用于接入電源線從而與外部電源連接。
[0008]優選地，驅控與圖像預處理模塊固置于陶瓷外殼后部與金屬支撐和散熱板連接處，面陣可見光探測器平行設置于驅控與圖像預處理模塊頂部，面陣電控液晶成像微透鏡平行設置于面陣可見光探測器頂部，并通過陶瓷外殼頂部開口將其光入射面裸露出來。
[0009]優選地，陶瓷外殼的側面上設置有通訊與控制信號輸出端口，用于輸出驅控與圖像預處理模塊提供給面陣可見光探測器的驅動和調控信號，以及輸入外部工作指令，陶瓷外殼的側面上設置有第一指示燈，該燈接通用于顯示驅控與圖像預處理模塊處在正常工作狀態，陶瓷外殼的側面上設置有面陣可見光探測器驅控信號輸入端口，用于輸入面陣可見光探測器的驅動和調控信號，陶瓷外殼的側面上設置有第二指示燈，該燈接通用于顯示面陣可見光探測器處在正常工作狀態，陶瓷外殼的側面上設置有第三指示燈，該燈接通用于顯示面陣電控液晶成像微透鏡處在正常工作狀態，陶瓷外殼的側面上設置有面陣電控液晶成像微透鏡驅控信號輸入端口，用于輸入面陣電控液晶成像微透鏡的驅動和調控信號。
[0010]優選地，陶瓷外殼的底面上設置有光電信號輸入端口，用于將面陣可見光探測器生成的光電信號引入驅控與圖像預處理模塊，陶瓷外殼的底面上設置有第四指示燈，該燈接通用于顯示面陣可見光探測器處在正常的信號輸出狀態，陶瓷外殼的底面上設置有光電信號輸入端口，用于將面陣可見光探測器生成的光電信號引入驅控與圖像預處理模塊，陶瓷外殼的底面上設置有第五指示燈，該燈接通用于顯示驅控與圖像預處理模塊處在正常的數據輸入狀態，陶瓷外殼的底面上設置有第六指示燈，該燈接通用于顯示電源已接通。
[0011]優選地，陶瓷外殼的側面上設置有圖像數據輸出端口，用于輸出圖像數據，陶瓷外殼的側面上設置有第七指示燈，該燈接通用于顯示驅控與圖像預處理模塊處在正常的數據輸出狀態。
[0012]總體而言，通過本實用新型所構思的以上技術方案與現有技術相比，能夠取得下列有益效果:
[0013]1、本實用新型可實現電控復眼成像探測，通過耦合面陣電控液晶成像微透鏡與陣列規模更大的面陣可見光探測器，形成基于液晶成像微透鏡陣列規模的并行子孔徑/復眼成像模式，獲取目標的多姿態、低空間分辨率和清晰度、以及小尺寸壓縮圖像，具有電驅控和調變復眼成像能力的優點；
[0014]2、本實用新型可實現電控切換單眼復眼成像探測，在液晶結構上斷電后液晶成像微透鏡即消失，面陣光敏器件僅在成像光學系統約束下執行單眼成像操作，獲取目標的單姿態、高空間分辨率和清晰度度、以及大尺寸完整圖像，具有通過快速電切換獲取單眼復眼時序性圖像的優點。
[0015]3、本實用新型的測量精度高，由于采用面陣電控液晶成像微透鏡和可見光探測器，他們均具有極高的結構和性能穩定性以及控制精度，具有測量精度高的優點；
[0016]4、本實用新型高度智能化，液晶結構的加斷電操作可在先驗知識或成像情況的約束、干預或引導下展開，具有智能化特征。
[0017]5、本實用新型使用方便。由于采用了集成面陣電控液晶成像微透鏡、面陣可見光探測器、驅控和圖像預處理模塊這樣的體系架構，具有接插方便，易與成像光學系統、電子學和機械裝置耦合的優點。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0018]圖1是本實用新型液晶基單眼復眼一體化成像探測芯片的結構示意圖
[0019]圖2是本實用新型液晶基單眼復眼一體化成像探測芯片的原理示意圖。
[0020]圖3是本實用新型液晶基單眼復眼一體化成像探測芯片的光束變換示意圖。
[0021]在所有附圖中，相同的附圖標記用來表示相同的元件或結構，其中:
[0022]1-通訊與控制信號輸出端口，2-第一指示燈，3-驅控與圖像預處理模塊，4-面陣可見光探測器驅控信號輸入端口，5-第二指示燈，6-面陣可見光探測器，7-面陣電控液晶成像微透鏡驅控信號輸入端口，8-第三指示燈，9-面陣電控液晶成像微透鏡，10-第四指示燈，11-光電信號輸出端口，12-第五指不燈，13-光電信號輸入端口，14-第六指不燈，15-電源端口，16-圖像數據輸出端口，17-陶瓷外殼，18-金屬支撐和散熱板，19-第七指示燈。
【具體實施方式】
[0023]為了使本實用新型的目的、技術方案及優點更加清楚明白，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僅用以解釋本實用新型，并不用于限定本實用新型。此外，下面所描述的本實用新型各個實施方式中所涉及到的技術特征只要彼此之間未構成沖突就可以相互組合。
[0024]如圖1所示，本實用新型的液晶基單眼復眼一體化成像探測芯片包括陶瓷外殼17、金屬支撐和散熱板18、單眼復眼一體化成像探測架構、以及電源端口 15。
[0025]電源端口 15設置于陶瓷外殼17的底面，用于接入電源線從而與外部電源連接。
[0026]陶瓷外殼17后部固置于金屬支撐和散熱板18頂部，單眼復眼一體化成像探測架構設置于陶瓷外殼17內，并包括:驅控與圖像預處理模塊3、面陣可見光探測器6以及面陣電控液晶成像微透鏡9。
[0027]驅控與圖像預處理模塊3固置于陶瓷外殼17后部與金屬支撐和散熱板18連接處，面陣可見光探測器6平行設置于驅控與圖像預處理模塊3頂部，面陣電控液晶成像微透鏡9平行設置于面陣可見光探測器6頂部，并通過陶瓷外殼17頂部開口將其光入射面裸露出來。驅控與圖像預處理模塊3、面陣可見光探測器6、以及面陣電控液晶成像微透鏡9同軸順序設置。
[0028]面陣電控液晶成像微透鏡9用于從陶瓷外殼17頂部開口接收可見光，并將該可見光聚焦到面陣可見光探測器6。
[0029]驅控與圖像預處理模塊3通過通訊與控制信號輸出端口 I接收來自于外部的工作信號，根據該工作信號生成驅動信號，并通過面陣可見光探測器驅控信號輸入端口 4將該驅動信號發送到面陣可見光探測器6。
[0030]面陣可見光探測器6根據驅動信號對可見光進行光電轉換，并對轉換后的電信號進行預處理，以生成光電信號，并通過光電信號輸入端口 11將該光電信號傳送到驅控與圖像預處理模塊3上的光電信號輸入端口 13。
[0031]驅控與圖像預處理模塊3對光電信號進行預處理，以生成圖像數據，并通過圖像數據輸出端口 16將圖像數據發送到液晶基單眼復眼一體化成像探測芯片外部的信息處理機。
[0032]驅控與圖像預處理模塊3用于判斷是否從外部的信息處理機接收到指令信號，若收到則生成驅動和調控信號，并通過面陣電控液晶成像微透鏡驅控信號輸入端口 7將該驅動和調控信號發送到面陣電控液晶成像微透鏡9，若沒有收到則繼續接收來自面陣可見光探測器6的光電信號。
[0033]面陣電控液晶成像微透鏡9用于根據驅動和調控信號調節自身的焦距，并繼續從陶瓷外殼17頂部開口接收可見光。
[0034]陶瓷外殼17的側面上設置有通訊與控制信號輸出端口 1，用于輸出驅控與圖像預處理模塊3提供給面陣可見光探測器6的驅動和調控信號，以及輸入外部工作指令。
[0035]陶瓷外殼17的側面上設置有第一指示燈2，該燈接通用于顯示驅控與圖像預處理模塊3處在正常工作狀態。
[0036]陶瓷外殼17的側面上設置有面陣可見光探測器驅控信號輸入端口 4，用于輸入面陣可見光探測器6的驅動和調控信號。
[0037]陶瓷外殼17的側面上設置有第二指示燈5，該燈接通用于顯示面陣可見光探測器6處在正常工作狀態。
[0038]陶瓷外殼17的側面上設置有第三指示燈8，該燈接通用于顯示面陣電控液晶成像微透鏡9處在正常工作狀態。
[0039]陶瓷外殼17的側面上設置有面陣電控液晶成像微透鏡驅控信號輸入端口 7，用于輸入面陣電控液晶成像微透鏡7的驅動和調控信號。
[0040]陶瓷外殼17的底面上設置有光電信號輸入端口 11，用于將面陣可見光探測器6生成的光電信號，引入驅控與圖像預處理模塊3。
[0041]陶瓷外殼17的底面上設置有第四指示燈10，該燈接通用于顯示面陣可見光探測器6處在正常的信號輸出狀態。
[0042]陶瓷外殼17的底面上設置有光電信號輸入端口 13，用于將面陣可見光探測器6生成的光電信號，引入驅控與圖像預處理模塊3。
[0043]陶瓷外殼17的底面上設置有第五指示燈12，該燈接通用于顯示驅控與圖像預處理模塊3處在正常的數據輸入狀態。
[0044]陶瓷外殼17的底面上設置有第六指示燈14，該燈接通用于顯示電源已接通。
[0045]陶瓷外殼17的側面上設置有圖像數據輸出端口 16，用于輸出圖像數據。
[0046]陶瓷外殼17的側面上設置有第七指示燈19，該燈接通用于顯示驅控與圖像預處理模塊3處在正常的數據輸出狀態。
[0047]以下參考圖2和圖3描述本實用新型的工作原理:
[0048]本實用新型的液晶基單眼復眼一體化成像探測芯片被置于測試光路中，或被置于由主鏡構成的光學系統的焦面處或弱離焦配置。
[0049]面陣可見光探測器與陣列規模較探測器已降低的面陣電控液晶成像微透鏡混合集成，與驅控與圖像預處理模塊共同構成芯片的單眼復眼一體化成像探測架構。復眼數量由電控液晶成像微透鏡的陣列規模決定。電控液晶成像微透鏡與可見光探測器的組合方式為:單元液晶成像微透鏡對應4X4元、5X5元、6X6元甚至更大規模的MXN元子面陣探測器。通過復眼成像獲取目標的多姿態、低空間分辨率和清晰度、以及小尺寸壓縮圖像數據并輸出。復眼中的液晶成像微透鏡其不同電控狀態，等效于常規曲面輪廓凸折射成像微透鏡其表面的不同彎曲程度，如圖示的等效電控狀態-1和-2等，從而顯示不同的光匯聚能力以及感光或成像視場，如圖示的Θ和β角等。通過快速電切換變更成單眼模式時，獲取目標的單姿態、高空間分辨率和清晰度度、以及大尺寸完整圖像數據并輸出，所切換的單眼態如圖示的等效電控切換態-3等。
[0050]以下簡要介紹本實用新型的操作過程:
[0051]操作時，首先用并行信號和數據線連接驅控信號輸出端口 1、探測器驅控信號輸入端口 4，面陣電控液晶成像微透鏡驅控信號輸入端口 7 ;用并行數據線連接光電信號輸出端口 11和端口 13 ;再將并行信號和數據線插入端口 16 ;電源線連接到電源端口 15上。然后通過并行信號和數據線送入電源開啟指令，芯片開始自檢，此時第一指示燈2、第二指示燈5、第三指示燈8、第四指示燈10、第五指示燈12、第六指示燈14接通閃爍，自檢通過后第五指示燈12、以及第六指示燈14熄滅，芯片進入工作狀態。通過并行信號和數據線送入工作指令后，芯片開始圖像數據采集。光電響應信號由光電信號輸出端口 11、以及光電信號輸入端口 13送入驅控與圖像預處理模塊3，此時第四指示燈10、以及第五指示燈12再次接通閃爍。經驅控與圖像預處理模塊3處理后的圖像數據，由圖像數據輸出端口 16輸出。
[0052]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。
【權利要求】
1.一種液晶基單眼復眼一體化成像探測芯片，包括陶瓷外殼、金屬支撐和散熱板、以及單眼復眼一體化成像探測架構，其特征在于， 陶瓷外殼后部固置于金屬支撐和散熱板頂部，單眼復眼一體化成像探測架構設置于陶瓷外殼內，并包括同軸順序設置的驅控與圖像預處理模塊、面陣可見光探測器以及面陣電控液晶成像微透鏡； 面陣電控液晶成像微透鏡用于從陶瓷外殼頂部開口接收可見光，并將該可見光聚焦到面陣可見光探測器； 驅控與圖像預處理模塊通過通訊與控制信號輸出端口接收來自于外部的工作信號，根據該工作信號生成驅動信號，并通過面陣可見光探測器驅控信號輸入端口將該驅動信號發送到面陣可見光探測器； 面陣可見光探測器根據驅動信號對可見光進行光電轉換，并對轉換后的電信號進行預處理，以生成光電信號，并通過光電信號輸入端口將該光電信號傳送到驅控與圖像預處理模塊上的光電信號輸入端口； 驅控與圖像預處理模塊對光電信號進行預處理，以生成圖像數據，并通過圖像數據輸出端口將圖像數據發送到液晶基單眼復眼一體化成像探測芯片外部的信息處理機； 驅控與圖像預處理模塊還用于判斷是否從外部的信息處理機接收到指令信號，若收到則生成驅動和調控信號，并通過面陣電控液晶成像微透鏡驅控信號輸入端口將該驅動和調控信號發送到面陣電控液晶成像微透鏡，若沒有收到則繼續接收來自面陣可見光探測器的光電信號； 面陣電控液晶成像微透鏡還用于根據驅動和調控信號調節自身的焦距，并繼續從陶瓷外殼頂部開口接收可見光。
2.根據權利要求1所述的液晶基單眼復眼一體化成像探測芯片，其特征在于，還包括電源端口，其設置于陶瓷外殼的底面，用于接入電源線從而與外部電源連接。
3.根據權利要求1所述的液晶基單眼復眼一體化成像探測芯片，其特征在于，驅控與圖像預處理模塊固置于陶瓷外殼后部與金屬支撐和散熱板連接處，面陣可見光探測器平行設置于驅控與圖像預處理模塊頂部，面陣電控液晶成像微透鏡平行設置于面陣可見光探測器頂部，并通過陶瓷外殼頂部開口將其光入射面裸露出來。
4.根據權利要求1所述的液晶基單眼復眼一體化成像探測芯片，其特征在于， 陶瓷外殼的側面上設置有通訊與控制信號輸出端口，用于輸出驅控與圖像預處理模塊提供給面陣可見光探測器的驅動和調控信號，以及輸入外部工作指令； 陶瓷外殼的側面上設置有第一指示燈，該燈接通用于顯示驅控與圖像預處理模塊處在正常工作狀態； 陶瓷外殼的側面上設置有面陣可見光探測器驅控信號輸入端口，用于輸入面陣可見光探測器的驅動和調控信號； 陶瓷外殼的側面上設置有第二指示燈，該燈接通用于顯示面陣可見光探測器處在正常工作狀態； 陶瓷外殼的側面上設置有第三指示燈，該燈接通用于顯示面陣電控液晶成像微透鏡處在正常工作狀態； 陶瓷外殼的側面上設置有面陣電控液晶成像微透鏡驅控信號輸入端口，用于輸入面陣電控液晶成像微透鏡的驅動和調控信號。
5.根據權利要求1所述的液晶基單眼復眼一體化成像探測芯片，其特征在于， 陶瓷外殼的底面上設置有光電信號輸入端口，用于將面陣可見光探測器生成的光電信號引入驅控與圖像預處理模塊； 陶瓷外殼的底面上設置有第四指示燈，該燈接通用于顯示面陣可見光探測器處在正常的信號輸出狀態； 陶瓷外殼的底面上設置有光電信號輸入端口，用于將面陣可見光探測器生成的光電信號引入驅控與圖像預處理模塊； 陶瓷外殼的底面上設置有第五指示燈，該燈接通用于顯示驅控與圖像預處理模塊處在正常的數據輸入狀態； 陶瓷外殼的底面上設置有第六指示燈，該燈接通用于顯示電源已接通。
6.根據權利要求1所述的液晶基單眼復眼一體化成像探測芯片，其特征在于， 陶瓷外殼的側面上設置有圖像數據輸出端口，用于輸出圖像數據； 陶瓷外殼的側面上設置有第七指示燈，該燈接通用于顯示驅控與圖像預處理模塊處在正常的數據輸出狀態。
【文檔編號】H04N5/225GK204190831SQ201420621887
【公開日】2015年3月4日 申請日期:2014年10月24日 優先權日:2014年10月24日
【發明者】張新宇, 雷宇, 羅俊, 佟慶, 桑紅石, 張天序, 謝長生 申請人:華中科技大學