一種紅外圖像與波前雙模一體化成像探測晶片的製作方法
2023-10-24 17:19:17 5
一種紅外圖像與波前雙模一體化成像探測晶片的製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種紅外圖像與波前雙模一體化成像探測晶片，包括：陶瓷外殼、金屬支撐與散熱板、驅控與預處理模塊、面陣非製冷紅外探測器、以及面陣紅外折射微透鏡，驅控與預處理模塊、面陣非製冷紅外探測器、以及面陣紅外折射微透鏡同軸順序設置於陶瓷外殼內，陶瓷外殼後部設置於金屬支撐與散熱板頂部，驅控與預處理模塊設置於陶瓷外殼後部與金屬支撐與散熱板連接處，面陣非製冷紅外探測器設置於驅控與預處理模塊頂部，面陣紅外折射微透鏡設置於面陣非製冷紅外探測器頂部，並通過陶瓷外殼面部開孔其光入射面裸露出來，面陣紅外折射微透鏡包括M×N個單元微透鏡。本發明結構緊湊，使用方便，易與常規紅外光學系統兼容或耦合，目標和環境適應性好。
【專利說明】一種紅外圖像與波前雙模一體化成像探測晶片
【技術領域】
[0001]本發明屬於紅外成像探測【技術領域】，更具體地，涉及一種紅外圖像與波前雙模一體化成像探測晶片。
【背景技術】
[0002]一般而言，自然和人造光源所出射的光波，構成了目標所依存的背景電磁福射環境。大氣流場常在密度、溫度、壓力和組份等方面產生不穩定的或非平衡的變化。氣體分子的特殊物理化學行為如電離效應等，又助推其介電屬性的失穩甚至隨機改變，使流場的光學折射率呈現複雜的時變或空變特徵，從而對目標光波在大氣中的傳輸產生程度不同的幹擾甚至抑制。表現為與目標形貌特徵密切相關的出射波束其能流在時空域中呈現複雜的彌散、聚集或漲落，以及相應的波前形態的無規改變等典型情形。人類活動以及雨雪等自然行為，也常驅使傳輸光波產生類似變化，並最終通過成像探測被植入電子目標圖像中使像質降低。換言之，光波前的演化、畸變甚至雜化等，也直接反映了光場能流形態背離其本徵傳輸情形這一屬性。因此，受能流分布驅動和約束的電子目標圖像，與目標波前在傳輸過程中的形貌結構變動，存在因果或遞推性關聯。通過分析與圖像信息密切相關的波前，即使不改變光電陣列的性能指標，也可以在波前信息的參與或引導下，使成像探測效能得到增強。目前，紅外成像探測技術的發展方向之一就是基于波前來調控波束的能流分布，從而使成像探測具備目標和環境適應能力，實現波前與圖像相關聯的雙模紅外成像探測。
[0003]迄今為止，已發展了多種通過測量甚至調變波前，對目標波束其能流形態在傳輸途徑中所引入的非本徵改變進行修正，從而提升像質和成像探測效能並提高抗幹擾和環境適應能力的技術方法。主要實現途徑包括:(一)基於Shack-Hartmann (SH)效應的小/微型化波前探測；(二)基于波前測量獲得與目標圖像緊密相關的關鍵性物理指標如點擴散函數，並用於像質提升；(三)在波前通道中進行波前測量甚至調變，從而增強能流測量通道中的成像探測能力；(四)整合或拼接波前與能流(圖像)設備，基于波前與能流這樣的雙模測量的匹配耦合來提高成像探測效能。
[0004]如上所述的具有小/微型化特徵的SH波前探測架構，目前僅能執行單一模式下的波前測量。其它具有雙模特徵既包括波前和圖像這兩個物理要素的技術途徑，均需要配置必須獨立完成波前和能流形態測量的兩類設備或兩類架構。從而帶來設備配置繁雜，體積大，成本高，波前和圖像的測量、匹配、平衡與反饋控制複雜，響應或調變速度低，目標和環境適應性差等問題。因此，找到簡捷、高效和靈巧的技術措施，在高精度測量紅外波前的同時獲得高像質圖像，已成為發展先進紅外成像探測技術所面臨的重點和難點問題，迫切需要新的突破。
【發明內容】
[0005]針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發明提供了一種紅外圖像與波前雙模一體化成像探測晶片，其目的在於實現波前和圖像這兩套數據的一體化獲取，並具有測量精度高、目標和環境適應性好、體積和質量小、功耗低、易與其它光學/光電/機械結構耦合的特點。
[0006]為實現上述目的，按照本發明的一個方面，提供了一種紅外圖像與波前雙模一體化成像探測晶片，包括:陶瓷外殼、金屬支撐與散熱板、驅控與預處理模塊、面陣非製冷紅外探測器、以及面陣紅外折射微透鏡，驅控與預處理模塊、面陣非製冷紅外探測器、以及面陣紅外折射微透鏡同軸順序設置於陶瓷外殼內，陶瓷外殼後部設置於金屬支撐與散熱板頂部，驅控與預處理模塊設置於陶瓷外殼後部與金屬支撐與散熱板連接處，面陣非製冷紅外探測器設置於驅控與預處理模塊頂部，面陣紅外折射微透鏡設置於面陣非製冷紅外探測器頂部，並通過陶瓷外殼面部開孔其光入射面裸露出來，面陣紅外折射微透鏡包括MXN個單元微透鏡，其中M和N均為正整數，面陣非製冷紅外探測器被劃分為MXN個子面陣紅外探測器，該子面陣紅外探測器的數量與面陣紅外折射微透鏡中微透鏡的數量相同，每個子面陣紅外探測器包括PXQ個光敏元，其中P和Q均為正整數，面陣紅外折射微透鏡用於接收來自目標的紅外光波，並將該紅外光波離散匯聚到面陣非製冷紅外探測器中不同子面陣紅外探測器的特定光敏元上，驅控和紅外圖像預處理模塊用於為面陣非製冷紅外探測器提供驅動和調控信號，光敏元用於在驅動和調控信號的作用下對紅外光執行光電轉換為電信號，並將該電信號傳送到驅控和紅外圖像預處理模塊，驅控和紅外圖像預處理模塊還用於對電信號進行預處理，以生成圖像和波前數據，並將該圖像和波前數據輸出。
[0007]優選地，驅控和紅外圖像預處理模塊對電信號進行圖像生成目的的預處理採用的是非均勻性校正方法。
[0008]優選地，驅控和紅外圖像預處理模塊對電信號進行波前生成目的的預處理採用的是子平面波前傾角與焦斑位置對應法。
[0009]優選地，陶瓷外殼的側面設置有驅控信號輸出埠，用於輸出驅控和紅外圖像預處理模塊提供給面陣非製冷紅外探測器的驅動和調控信號，陶瓷外殼的側面設置有驅控信號輸出埠，用於輸出驅控與預處理模塊提供給面陣非製冷紅外探測器的驅動和調控信號，陶瓷外殼的側面設置有第一指示燈，該燈接通用於顯示驅控與預處理模塊處在正常工作狀態，陶瓷外殼的側面設置有探測器驅控信號輸入埠，用於輸入面陣非製冷紅外探測器的驅動和調控信號，陶瓷外殼的側面設置有第二指示燈，該燈接通用於顯示面陣非製冷紅外探測器處在正常工作狀態，陶瓷外殼的側面設置有第三指示燈，該燈接通用於顯示面陣紅外折射微透鏡處在正常工作狀態。
[0010]優選地，陶瓷外殼的底面設置有紅外光電響應信號輸入和紅外圖像與波前數據輸出埠，用於輸出面陣非製冷紅外探測器的光電響應信號，陶瓷外殼的底面設置有第四指示燈，用於顯示面陣非製冷紅外探測器處在正常的信號輸出狀態，陶瓷外殼的底面設置有紅外光電響應信號輸出埠，用於將面陣非製冷紅外探測器的光電輸出信號引入驅控與預處理模塊，陶瓷外殼的底面設置有第四指示燈，用於顯示驅控與預處理模塊處在正常的數據輸入狀態，陶瓷外殼的底面設置有紅外光電響應信號輸入和紅外圖像與波前數據輸出埠，用於將面陣非製冷紅外探測器的光電響應信號輸入驅控與預處理模塊，以及將序列紅外圖像與波前數據從驅控與預處理模塊輸出。
[0011]優選地，陶瓷外殼的側面設置有電源埠，用於接入電源線以與外部電源連接，陶瓷外殼的側面設置有第五指示燈，用於顯示電源已接通。[0012]總體而言，通過本發明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、目標的圖像和波前單晶片一體化探測，由於通過耦合面陣折射液晶微透鏡與陣列規模更大的面陣紅外探測器，實現基於離散分布的子平面波前的聚焦、光電轉換、生成圖像和波前數據的信號處理，所以本發明具有基於單片功能化的紅外光敏陣列一體化探測紅外目標圖像和波前的優點；
[0014]2、測量精度高，由於本發明採用面陣折射微透鏡和面陣非製冷紅外探測器，它們均具有極高的陣列規模並被混合集成而具有極高的結構穩定性，所以本發明具有測量精度聞的優點；
[0015]3、目標適應性好，由於本發明基於單光敏晶片對目標的出射波前和圖像數據進行快速探測，既適用於穩態、緩變或固定目標，又適用於運動和變化目標的優點。
[0016]4、環境適應性好，由於本發明採用了基於熱效應的非製冷紅外探測器，以及具有固定形貌的折射微透鏡，測量譜段寬，工作在室溫環境，所以本發明具有環境適應性好的優點。
[0017]5、使用方便，由於本發明採用了集成面陣紅外折射微透鏡、面陣非製冷紅外探測器、以及驅控與預處理模塊這樣的體系架構，所以本發明具有接插方便，易與紅外光學系統、其它電子學和機械裝置匹配耦合的優點。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0018]圖1是本發明的紅外圖像與波前雙模一體化成像探測晶片的結構示意圖。
[0019]圖2是本發明的紅外圖像與波前雙模一體化成像探測晶片的原理示意圖。
[0020]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:
[0021]1-驅控信號輸出埠，2-第一指示燈，3-驅控與預處理模塊，4-探測器驅控信號輸入埠，5-第二指示燈，6-面陣非製冷紅外探測器，7-面陣紅外折射微透鏡，8-第三指示燈，9-紅外光電響應信號輸出埠，I O-第四指示燈，11 -紅外光電響應信號輸入和紅外圖像與波前數據輸出埠，12-電源埠，13-陶瓷外殼，14-金屬支撐與散熱板，15-第五指示燈。
【具體實施方式】
[0022]為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明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發明，並不用於限定本發明。此外，下面所描述的本發明各個實施方式中所涉及到的技術特徵只要彼此之間未構成衝突就可以相互組合。
[0023]如圖1所示，本發明紅外圖像與波前雙模一體化成像探測晶片包括:陶瓷外殼13、金屬支撐與散熱板14、驅控與預處理模塊3、面陣非製冷紅外探測器6、以及面陣紅外折射微透鏡7。
[0024]驅控與預處理模塊3、面陣非製冷紅外探測器6、以及面陣紅外折射微透鏡7同軸順序設置於陶瓷外殼13內。
[0025]陶瓷外殼13後部設置於金屬支撐與散熱板14頂部。[0026]驅控與預處理模塊3設置於陶瓷外殼13後部與金屬支撐與散熱板14連接處。
[0027]面陣非製冷紅外探測器6設置於驅控與預處理模塊3頂部。
[0028]面陣紅外折射微透鏡7設置於面陣非製冷紅外探測器6頂部，並通過陶瓷外殼13面部開孔(未示出)將其光入射面裸露出來。
[0029]面陣紅外折射微透鏡7包括MXN個單元微透鏡，其中M和N均為正整數。
[0030]面陣非製冷紅外探測器6被劃分為MXN個子面陣紅外探測器，該子面陣紅外探測器的數量與面陣紅外折射微透鏡7中微透鏡的數量相同。每個子面陣紅外探測器包括PXQ個光敏元，其中P和Q均為正整數。
[0031]面陣紅外折射微透鏡7用於接收來自目標的紅外光波，並將該紅外光波離散匯聚到面陣非製冷紅外探測器6中不同子面陣紅外探測器的特定光敏元上。
[0032]驅控和紅外圖像預處理模塊3用於為面陣非製冷紅外探測器6提供驅動和調控信號。
[0033]光敏元用於在驅動和調控信號的作用下對紅外光執行光電轉換為電信號，並將該電信號傳送到驅控和紅外圖像預處理模塊3。
[0034]驅控和紅外圖像預處理模塊3還用於對電信號進行預處理，以生成圖像和波前數據，並將該圖像和波前數據輸出。具體而言，對電信號進行圖像生成目的的預處理採用的是非均勻性校正方法，對電信號進行波前生成目的的預處理採用的是子平面波前傾角與焦斑位置對應法，。
[0035]陶瓷外殼13的側面設置有驅控信號輸出埠 1，用於輸出驅控和紅外圖像預處理模塊3提供給面陣非製冷紅外探測器6的驅動和調控信號。
[0036]陶瓷外殼13的側面設置有驅控信號輸出埠 1，用於輸出驅控與預處理模塊3提供給面陣非製冷紅外探測器6的驅動和調控信號。
[0037]陶瓷外殼13的側面設置有第一指示燈2，該燈接通用於顯示驅控與預處理模塊3處在正常工作狀態。
[0038]陶瓷外殼13的側面設置有探測器驅控信號輸入埠 4，用於輸入面陣非製冷紅外探測器6的驅動和調控信號。
[0039]陶瓷外殼13的側面設置有第二指示燈5，該燈接通用於顯示面陣非製冷紅外探測器6處在正常工作狀態。
[0040]陶瓷外殼13的側面設置有第三指示燈8，該燈接通用於顯示面陣紅外折射微透鏡7處在正常工作狀態。
[0041]陶瓷外殼13的底面設置有紅外光電響應信號輸入和紅外圖像與波前數據輸出埠 9，用於輸出面陣非製冷紅外探測器6的光電響應信號。
[0042]陶瓷外殼13的底面設置有第四指示燈8，用於顯示面陣非製冷紅外探測器6處在正常的信號輸出狀態。
[0043]陶瓷外殼13的底面設置有紅外光電響應信號輸出埠 9，用於將面陣非製冷紅外探測器6的光電輸出信號，引入驅控與預處理模塊3。
[0044]陶瓷外殼13的底面設置有第四指示燈10，用於顯示驅控與預處理模塊3處在正常的數據輸入狀態。
[0045]陶瓷外殼13的底面設置有紅外光電響應信號輸入和紅外圖像與波前數據輸出埠 11，用於將面陣非製冷紅外探測器6的光電響應信號，輸入驅控與預處理模塊3，以及將序列紅外圖像與波前數據從驅控與預處理模塊3輸出；
[0046]陶瓷外殼13的側面設置有電源埠 12，用於接入電源線以與外部電源連接。
[0047]陶瓷外殼13的側面設置有第五指示燈15，用於顯示電源已接通。
[0048]以下參考圖2描述本發明的工作原理:
[0049]如圖所示，面陣非製冷紅外成像探測器與陣列規模較紅外器件已降低的紅外折射微透鏡陣列混合集成，構成晶片中的紅外圖像與波前雙模一體化成像探測架構。微透鏡與紅外探測器的組合方式為:在所設定的陣列規模或空間解析度模式下，每單元折射微透鏡分別與多元探測器，如2X2元、4X4元、8X8元甚至陣列規模更大的子探測器陣列對應。對單元折射微透鏡而言，紅外入射波前被微透鏡陣列離散化後所形成的，傾角各異的子平面波前，被其所覆蓋的單元微透鏡定向聚焦在與該元微透鏡對應的子面陣探測器的特定光敏元上。聚焦光斑由置於該處的紅外光敏元轉換成光電響應信號。通過多元折射微透鏡的陣列化光匯聚作用，形成與目標出射光波對應的，能態各異的焦斑分布形態，見下右子圖所
/Jn ο
[0050]子面陣探測器中的紅外光敏元的光電響應信號，經驅控與預處理模塊處理後首先形成電子目標圖像數據並輸出；另外，基於子面陣紅外探測器的幾何中心(參考基點)，以正入射子平面波前的匯聚焦斑其光電響應信號為基準，通過解算偏離參考基準的傾斜子平面波前其聚焦光斑的光電響應信號的偏移程度，得到子平面傾斜波前相對正入射子平面波前的傾角。再經角參數平衡和配準，反演出入射波前數據並輸出。在上述光學/光電探測體制下，由於每單元紅外折射微透鏡將投射到其表面的入射波束，匯聚到與其耦合的子面陣探測器的特定光敏元上，目標的成像解析度由所採用的紅外折射微透鏡的陣列規模決定。目標所出射的紅外波束其波前的測量精度和可變動程度，則由每單元紅外折射微透鏡所耦合的子面陣探測器的規模和紅外光敏元的結構尺寸決定。一般而言，子面陣紅外探測器的陣列規模越大，紅外光敏元的結構尺寸越小，波前的測量精度越高，可測量的波前的變動範圍越大。換言之，從晶片輸出埠將輸出兩套數據，其一是經過常規紅外光電響應信號處理流程所形成的電子目標圖像數據(由焦斑分布演化而來)，其二是解算特定架構下的紅外光電響應信號所反演形成的波前數據。
[0051]針對能量弱目標，可將混合集成紅外成像探測晶片置於主光學系統既主鏡的焦面處，見上右子圖所示。針對強福射目標，可直接使用混合集成紅外雙模成像探測晶片捕獲目標的波前和圖像，見下左子圖所示。
[0052]以下簡要介紹本發明的操作過程:
[0053]操作時，首先用並行信號線連接驅控信號輸出埠 1、探測器驅控信號輸入埠4 ;用並行數據線連接紅外光電響應信號輸出埠 9，以及紅外光電響應信號輸入和紅外圖像與波前數據輸出埠 11 ;電源線連接到電源埠 12上。然後通過並行通訊線(同時接入埠 I)送入電源開啟指令，晶片開始自檢，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接通閃爍。自檢通過後第三指示燈8，以及第四指示燈10熄滅，晶片進入工作狀態。通過並行通訊線送入工作指令後，晶片開始進行光電響應信號測量。光電響應信號由紅外光電響應信號輸出埠 9、以及紅外光電響應信號輸入和紅外圖像與波前數據輸出埠 11，送入驅控與預處理模塊3，此時第四指示燈8、以及第五指示燈10再次接通閃爍。經驅控與預處理模塊3處理後的紅外圖像與波前數據，由紅外光電響應信號輸入和紅外圖像與波前數據輸出埠 11輸出。
[0054]本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。
【權利要求】
1.一種紅外圖像與波前雙模一體化成像探測晶片，包括:陶瓷外殼、金屬支撐與散熱板、驅控與預處理模塊、面陣非製冷紅外探測器、以及面陣紅外折射微透鏡，其特徵在於， 驅控與預處理模塊、面陣非製冷紅外探測器、以及面陣紅外折射微透鏡同軸順序設置於陶瓷外殼內； 陶瓷外殼後部設置於金屬支撐與散熱板頂部； 驅控與預處理模塊設置於陶瓷外殼後部與金屬支撐與散熱板連接處； 面陣非製冷紅外探測器設置於驅控與預處理模塊頂部； 面陣紅外折射微透鏡設置於面陣非製冷紅外探測器頂部，並通過陶瓷外殼面部開孔其光入射面裸露出來； 面陣紅外折射微透鏡包括MXN個單元微透鏡，其中M和N均為正整數； 面陣非製冷紅外探測器被劃分為MXN個子面陣紅外探測器，該子面陣紅外探測器的數量與面陣紅外折射微透鏡中微透鏡的數量相同； 每個子面陣紅外探測器包括PXQ個光敏元，其中P和Q均為正整數； 面陣紅外折射微透鏡用於接收來自目標的紅外光波，並將該紅外光波離散匯聚到面陣非製冷紅外探測器中不同子面陣紅外探測器的特定光敏元上； 驅控和紅外圖像預處理模塊用於為面陣非製冷紅外探測器提供驅動和調控信號； 光敏元用於在驅動和調控信號的作用下對紅外光執行光電轉換為電信號，並將該電信號傳送到驅控和紅外圖像預處理模塊；` 驅控和紅外圖像預處理模塊還用於對電信號進行預處理，以生成圖像和波前數據，並將該圖像和波前數據輸出。
2.根據權利要求1所述的紅外圖像與波前雙模一體化成像探測晶片，其特徵在於，驅控和紅外圖像預處理模塊對電信號進行圖像生成目的的預處理採用的是非均勻性校正方法。
3.根據權利要求1所述的紅外圖像與波前雙模一體化成像探測晶片，其特徵在於，驅控和紅外圖像預處理模塊對電信號進行波前生成目的的預處理採用的是子平面波前傾角與焦斑位置對應法。
4.根據權利要求1所述的紅外圖像與波前雙模一體化成像探測晶片，其特徵在於， 陶瓷外殼的側面設置有驅控信號輸出埠，用於輸出驅控和紅外圖像預處理模塊提供給面陣非製冷紅外探測器的驅動和調控信號； 陶瓷外殼的側面設置有驅控信號輸出埠，用於輸出驅控與預處理模塊提供給面陣非製冷紅外探測器的驅動和調控信號； 陶瓷外殼的側面設置有第一指示燈，該燈接通用於顯示驅控與預處理模塊處在正常工作狀態； 陶瓷外殼的側面設置有探測器驅控信號輸入埠，用於輸入面陣非製冷紅外探測器的驅動和調控信號； 陶瓷外殼的側面設置有第二指示燈，該燈接通用於顯示面陣非製冷紅外探測器處在正常工作狀態； 陶瓷外殼的側面設置有第三指示燈，該燈接通用於顯示面陣紅外折射微透鏡處在正常工作狀態。
5.根據權利要求1所述的紅外圖像與波前雙模一體化成像探測晶片，其特徵在於， 陶瓷外殼的底面設置有紅外光電響應信號輸入和紅外圖像與波前數據輸出埠，用於輸出面陣非製冷紅外探測器的光電響應信號； 陶瓷外殼的底面設置有第四指示燈，用於顯示面陣非製冷紅外探測器處在正常的信號輸出狀態； 陶瓷外殼的底面設置有紅外光電響應信號輸出埠，用於將面陣非製冷紅外探測器的光電輸出信號引入驅控與預處理模塊； 陶瓷外殼的底面設置有第四指示燈，用於顯示驅控與預處理模塊處在正常的數據輸入狀態； 陶瓷外殼的底面設置有紅外光電響應信號輸入和紅外圖像與波前數據輸出埠，用於將面陣非製冷紅外探測器的光電響應信號輸入驅控與預處理模塊，以及將序列紅外圖像與波前數據從驅控與預處理模塊輸出。
6.根據權利要求1所述的紅外圖像與波前雙模一體化成像探測晶片，其特徵在於， 陶瓷外殼的側面設置有電源埠，用於接入電源線以與外部電源連接； 陶瓷外殼的側面設置有第五指示燈，用於顯示電源已接通。
【文檔編號】G01J5/10GK103512668SQ201310419820
【公開日】2014年1月15日 申請日期:2013年9月13日 優先權日:2013年9月13日
【發明者】張新宇, 佟慶, 康勝武, 羅俊, 桑紅石, 謝長生 申請人:華中科技大學