一种红外立体成像探测芯片的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种红外立体成像探测芯片，包括陶瓷外壳、金属支撑与散热板、驱控和红外图像预处理模块、面阵非制冷红外探测器、以及面阵红外折射微透镜，驱控和红外图像预处理模块、面阵非制冷红外探测器、以及面阵红外折射微透镜同轴顺序设置于陶瓷外壳内，陶瓷外壳后部设置于金属支撑与散热板顶部，驱控和红外图像预处理模块设置于陶瓷外壳后部与金属支撑与散热板连接处，面阵非制冷红外探测器设置于驱控和红外图像预处理模块顶部，面阵红外折射微透镜设置于面阵非制冷红外探测器顶部，并通过陶瓷外壳面部开孔将其光入射面裸露出来。本发明具有通过单光敏芯片并行探测目标的立体图像信息、易与常规红外光学系统兼容、目标和环境适应性好的特点。
【专利说明】一种红外立体成像探测芯片
【技术领域】
[0001]本发明属于红外成像探测【技术领域】，更具体地，涉及一种红外立体成像探测芯片。【背景技术】
[0002]一般而言，红外成像探测是指通过红外光学和光电装置，对所接收的红外辐射进行特定的整形和变换处理，达到在阵列化探测芯片的光敏结构上，合理分布红外光场，再经光电转换构造出与目标和景物的形貌、结构及辐射(包括自发射、反射、散射或透射等)特征相适应的电响应图案，既电子图像这样一个过程。迄今为止，人们通过持续不断地研发阵列化红外探测芯片装置，包括增大光敏芯片的阵列规模，缩小光敏元尺寸，采用量子线或量子点光敏结构，提高光敏材料的光电响应灵敏度，增大光敏器件填充系数，降低光敏结构噪声以及发展专用图像信息处理算法等，增强红外成像探测效能。另外，通过将(XD、CM0S、FPAs等探测器阵列与微纳光学结构，如典型的MEMS和微透镜等匹配耦合甚至集成，构造灵巧的功能化成像探测芯片这一方式，也显示了良好的发展前景。
[0003]目前主流的红外成像探测技术，均基于阵列化的光敏芯片来完成图像化光电转换操作。光敏芯片中的光敏兀，均具有相同/相近的光电响应性能。光敏兀所输出的光电信号，对应成像视场中被光敏阵列所划分的，对焦目标上的最小结构面向多方向出射并被输送到光敏元上的光学辐射。光敏芯片的阵列规模越大，光电成像系统的空间分辨率越高，所获取的像质越好。随着红外成像探测技术的迅速发展，红外目标和背景情况在日趋复杂，红外干扰、对抗和隐身措施也在不断增强，对红外焦平面成像探测技术提出了新的挑战。如何高效探测匿迹于复杂背景环境中的弱小目标、能量弱目标、高速运动目标以及对抗性目标等，已成为现代红外成像探测技术所面临的重点和难点问题，迫切需要新的突破。
[0004]通常情况下，从目标出射的多方向光波散布在一个相对较大的空域内。不同传播方向上的波束在能量传送效能方面的差异，反映了目标向不同空域投射光能量的能力有所不同，或者目标的不同部位向周围空域投射光能量的能力有所差异这一属性。对红外成像探测系统而言，呈现在视场中的是具有特定波矢分布的多方向目标波束，或者目标的不同结构面即通常意义上的立体架构，向多个方向投射的矢量光场。现有的红外成像探测芯片，无法提取如上所述的红外波束的方向信息。目前，获取三维图像信息需采用基于光电芯片架构，并在较大空间范围内离散配置的多台套设备实现。从而带来成像设备体积大，成本高，需要较大的设备排布空间，三维图像信息获取效能和像质差，目标和环境适应性低等问题。
【发明内容】
[0005]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种红外立体成像探测芯片，其目的在于解决现有成像探测芯片无立体成像探测功能，执行三维立体成像需要配置多台套成像设备，从而带来成本高，需要较大的设备排布空间，三维图像获取效能和像质差，目标和环境适应性低的技术问题。[0006]为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种红外立体成像探测芯片，包括陶瓷外壳、金属支撑与散热板、驱控和红外图像预处理模块、面阵非制冷红外探测器、以及面阵红外折射微透镜，驱控和红外图像预处理模块、面阵非制冷红外探测器、以及面阵红外折射微透镜同轴顺序设置于陶瓷外壳内，陶瓷外壳后部设置于金属支撑与散热板顶部，驱控和红外图像预处理模块设置于陶瓷外壳后部与金属支撑与散热板连接处，面阵非制冷红外探测器设置于驱控和红外图像预处理模块顶部，面阵红外折射微透镜设置于面阵非制冷红外探测器顶部，并通过陶瓷外壳面部开孔将其光入射面裸露出来，面阵红外折射微透镜包括MXN个单元微透镜，其中M和N均为正整数，面阵非制冷红外探测器被划分为MXN个子面阵红外探测器，该子面阵红外探测器的数量与面阵红外折射微透镜中微透镜的数量相同，每个子面阵红外探测器包括PXQ个光敏元，其中P和Q均为正整数，来自不同位置的红外光被单元微透镜汇聚到不同的子面阵红外探测器上，来自不同位置、但处于相同方向的红外光被单元微透镜汇聚到不同子面阵红外探测器中相同位置处的光敏元上，面阵红外折射微透镜用于接收来自目标出射的红外光，并将该红外光汇聚到面阵非制冷红外探测器中不同子面阵红外探测器的对应光敏元上，驱控和红外图像预处理模块用于为面阵非制冷红外探测器提供驱动和调控信号，光敏元用于在驱动和调控信号的作用下对红外光执行光电转换为电信号，并将该电信号传送到驱控和红外图像预处理模块，驱控和红外图像预处理模块还用于对电信号进行预处理，以生成图像数据，并将该图像数据输出。
[0007]优选地，对电信号进行预处理采用的是非均匀性校正方法。
[0008]优选地，陶瓷外壳的侧面设置有驱控信号输出端口，用于输出驱控和红外图像预处理模块提供给面阵非制冷红外探测器的驱动和调控信号，陶瓷外壳的侧面设置有探测器驱控信号输入端口，用于输入面阵非制冷红外探测器的驱动和调控信号。
[0009]优选地，陶瓷外壳的侧面设置有第一指示灯，该灯接通用于显示驱控和红外图像预处理模块处在正常工作状态，陶瓷外壳的侧面设置有第二指示灯，该灯接通用于显示面阵非制冷红外探测器处在正常工作状态，陶瓷外壳的侧面设置有第三指示灯，该灯接通用于显示面阵红外折射微透镜处在正常工作状态，陶瓷外壳的侧面设置有第五指示灯，用于显示电源已接通。
[0010]优选地，陶瓷外壳的底面设置有红外光电响应信号输出端口，用于将光敏兀产生的电信号引入驱控和红外图像预处理模块。
[0011]优选地，陶瓷外壳的底面设置有第四指示灯，用于显示驱控和红外图像预处理模块处在正常的数据输入状态。
[0012]优选地，陶瓷外壳的底面设置有红外光电响应信号输入和红外图像数据输出端口，用于将光敏元产生的电信号输入驱控和红外图像预处理模块，以及将序列红外图像数据从驱控和红外图像预处理模块输出。
[0013]优选地，陶瓷外壳的侧面设置有电源端口，用于接入电源线与外部电源连接。
[0014]总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果:
[0015]1、可实现立体目标图像的单芯片捕获:由于通过耦合面阵折射液晶微透镜与阵列规模更大的面阵红外探测器，实现不同波束方向的红外辐射的立体成像探测操作，所以本发明具有基于单片功能化的红外探测器芯片获取立体目标图像的优点；[0016]2、使用方便:由于本发明采用了集成面阵红外折射微透镜、面阵非制冷红外探测器、以及驱控和红外图像预处理模块这样的芯片化体系架构，所以本发明具有接插方便，易与红外光学系统、其它电子学和机械装置匹配耦合的优点。
[0017]3、目标适应性好:由于本发明基于单光敏芯片对目标进行立体成像探测，既适用于稳态、缓变或固定目标，又适用于运动和变化目标的优点。
[0018]4、环境适应性好:由于本发明采用了基于热效应的非制冷红外探测器，以及具有固定形貌的折射微透镜，测量谱段较宽，工作在室温环境，所以本发明具有环境适应性好的优点。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1是本发明红外立体成像探测芯片的结构示意图。
[0020]图2是本发明红外立体成像探测芯片的原理示意图。
[0021]在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中:
[0022]1-驱控信号输出端口，2-第一指示灯，3-驱控和红外图像预处理模块，4-面阵非制冷红外探测器的驱控信号输入端口，5-第二指示灯，6-面阵非制冷红外探测器，7-面阵红外折射微透镜，8-第三指示灯，9-红外光电响应信号输出端口，10-第四指示灯，11-红外光电响应信号输入和红外图像数据输出端口，12-电源端口，13-陶瓷外壳，14-金属支撑与散热板，15-第五指示灯。
【具体实施方式】
[0023]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明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发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明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。
[0024]物质结构的红外辐射特性显示，基于常规成像光场所构建的数字目标图像，实际上由多幅不同姿态的平面目标图像混合而成。因此，通过将常规图像中的多个平面目标姿态图像拆解出来，意味着基于目标光波其三维波矢空间分布特征，获取可组成立体图像的电子图像集。基于这一思路，通过将面阵微透镜与阵列规模更大的光敏阵列匹配耦合，测量展布在三维空间中地矢量光场的图像目标信息，既实现单芯片立体成像探测。由于宏观目标其结构和在时空域中的运动，均具有连续性。通过合理插值，电子图像集的密度可被适度增大，目标的立体姿态具备更为丰富和细腻的潜质。
[0025]如图1所示，本发明红外立体成像探测芯片包括:陶瓷外壳13、金属支撑与散热板14、驱控和红外图像预处理模块3、面阵非制冷红外探测器6、以及面阵红外折射微透镜7。
[0026]驱控和红外图像预处理模块3、面阵非制冷红外探测器6、以及面阵红外折射微透镜7同轴顺序设置于陶瓷外壳13内。
[0027]陶瓷外壳13后部设置于金属支撑与散热板14顶部。
[0028]驱控和红外图像预处理模块3设置于陶瓷外壳13后部与金属支撑与散热板14连接处。
[0029]面阵非制冷红外探测器6设置于驱控和红外图像预处理模块3顶部。[0030]面阵红外折射微透镜7设置于面阵非制冷红外探测器6顶部，并通过陶瓷外壳13面部开孔(未示出)将其光入射面裸露出来。
[0031]面阵红外折射微透镜7包括MXN个单元微透镜，其中M和N均为正整数。
[0032]面阵非制冷红外探测器6被划分为MXN个子面阵红外探测器，该子面阵红外探测器的数量与面阵红外折射微透镜7中微透镜的数量相同，每个子面阵红外探测器包括PXQ个光敏元，其中P和Q均为正整数。来自不同位置的红外光被单元微透镜汇聚到不同的子面阵红外探测器上，来自不同位置、但处于相同方向的红外光被单元微透镜汇聚到不同子面阵红外探测器中相同位置处的光敏元上。
[0033]面阵红外折射微透镜7用于接收来自目标出射的红外光，并将该红外光汇聚到面阵非制冷红外探测器6中不同子面阵红外探测器的对应光敏元上。
[0034]驱控和红外图像预处理模块3用于为面阵非制冷红外探测器6提供驱动和调控信号。
[0035]光敏元用于在驱动和调控信号的作用下对红外光执行光电转换为电信号，并将该电信号传送到驱控和红外图像预处理模块3。
[0036]驱控和红外图像预处理模块3还用于对电信号进行预处理，以生成图像数据，并将该图像数据输出。具体而言，对电信号进行预处理采用的是非均匀性校正方法。
[0037]陶瓷外壳13的侧面设置有驱控信号输出端口 1，用于输出驱控和红外图像预处理模块3提供给面阵非制冷红外探测器6的驱动和调控信号。
[0038]陶瓷外壳13的侧面设置有第一指示灯2，该灯接通用于显示驱控和红外图像预处理模块3处在正常工作状态。
[0039]陶瓷外壳13的侧面设置有探测器驱控信号输入端口 4，用于输入面阵非制冷红外探测器6的驱动和调控信号。
[0040]陶瓷外壳13的侧面设置有第二指示灯5，该灯接通用于显示面阵非制冷红外探测器6处在正常工作状态。
[0041]陶瓷外壳13的侧面设置有第三指示灯8，该灯接通用于显示面阵红外折射微透镜7处在正常工作状态。
[0042]陶瓷外壳13的底面设置有红外光电响应信号输出端口 9,用于将光敏兀产生的电信号引入驱控和红外图像预处理模块3。
[0043]陶瓷外壳13的底面设置有第四指示灯10，用于显示驱控和红外图像预处理模块3处在正常的数据输入状态。
[0044]陶瓷外壳13的底面设置有红外光电响应信号输入和红外图像数据输出端口 11，用于将光敏元产生的电信号输入驱控和红外图像预处理模块3，以及将序列红外图像数据从驱控和红外图像预处理模块3输出；
[0045]陶瓷外壳13的侧面设置有电源端口 12，用于接入电源线与外部电源连接。
[0046]陶瓷外壳13的侧面设置有第五指示灯15，用于显示电源已接通。
[0047]以下参考图2描述本发明的工作原理:
[0048]如图所示，面阵非制冷红外成像探测器与阵列规模较红外探测器已降低的红外折射微透镜阵列集成，构成芯片中的红外立体成像探测架构。微透镜阵列与面阵红外探测器的组合方式为:在所设定的阵列规模或空间分辨率模式下，每单元折射微透镜分别与多元探测器，如2X2元、2X3元、4X4元、5X6元、8X8元甚至阵列规模更大的子探测器阵列对应或匹配耦合。对单元折射微透镜而言，不同入射方向的红外光束，如图示的典型的(A)光束、(B)光束和(C)光束等，通过主镜后被微透镜定向聚焦在与其对应的子探测器阵列中的一个特定光敏元上。聚焦光斑由置于该处的红外探测器转换成光电响应信号。
[0049]通过将各子面阵红外探测器中的相应光敏元的光电响应信号加以预处理，得到立体目标的一个平面姿态的图像数据。通过预处理各子面阵红外探测器中的其它相应光敏元的光电响应信号，得到构成目标立体图像的多幅具有不同倾角的平面姿态图像数据并输出，如图示的典型的A姿态图像、B姿态图像和C姿态图像等。
[0050]以下简要介绍本发明的操作过程:
[0051]操作时，首先用并行信号线连接驱控信号输出端口 1、面阵非制冷红外探测器的驱控信号输入端口 4 ;用并行数据线连接红外光电响应信号输出端口 9，以及红外光电响应信号输入和红外图像数据输出端口 11 ;电源线连接到电源端口 12上。然后通过并行通讯线(同时接入端口 I)送入电源开启指令，芯片开始自检，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接通闪烁。自检通过后第三指示灯8，以及第四指示灯10熄灭，芯片进入工作状态。通过并行通讯线送入工作指令后，芯片开始进行光电响应信号测量。光电响应信号由红外光电响应信号输出端口 9、以及红外光电响应信号输入和红外图像数据输出端口 11，送入驱控和红外图像预处理模块3，此时第四指示灯8、以及第五指示灯10再次接通闪烁。经驱控和红外图像预处理模块3处理后的序列红外图像数据，由红外光电响应信号输入和红外图像数据输出端口 11输出。
[0052]本发明的红外立体成像探测芯片具有目标的立体图像信息单芯片捕获效能，光电响应信号的测量效能高，芯片接插操作方便，易与光学系统、外围电路装置以及机械结构匹配耦合。
[0053]本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种红外立体成像探测芯片，包括陶瓷外壳、金属支撑与散热板、驱控和红外图像预处理模块、面阵非制冷红外探测器、以及面阵红外折射微透镜，其特征在于， 驱控和红外图像预处理模块、面阵非制冷红外探测器、以及面阵红外折射微透镜同轴顺序设置于陶瓷外壳内 ； 陶瓷外壳后部设置于金属支撑与散热板顶部； 驱控和红外图像预处理模块设置于陶瓷外壳后部与金属支撑与散热板连接处； 面阵非制冷红外探测器设置于驱控和红外图像预处理模块顶部； 面阵红外折射微透镜设置于面阵非制冷红外探测器顶部，并通过陶瓷外壳面部开孔将其光入射面裸露出来； 面阵红外折射微透镜包括MXN个单元微透镜，其中M和N均为正整数； 面阵非制冷红外探测器被划分为MXN个子面阵红外探测器，该子面阵红外探测器的数量与面阵红外折射微透镜中微透镜的数量相同； 每个子面阵红外探测器包括PXQ个光敏元，其中P和Q均为正整数； 来自不同位置的红外光被单元微透镜汇聚到不同的子面阵红外探测器上，来自不同位置、但处于相同方向的红外光被单元微透镜汇聚到不同子面阵红外探测器中相同位置处的光敏元上； 面阵红外折射微透镜用于接收来自目标出射的红外光，并将该红外光汇聚到面阵非制冷红外探测器中不同子面阵红外探测器的对应光敏元上； 驱控和红外图像预处理模块用于为面阵非制冷红外探测器提供驱动和调控信号； 光敏元用于在驱动和调控信号的作用下对红外光执行光电转换为电信号，并将该电信号传送到驱控和红外图像预处理模块； 驱控和红外图像预处理模块还用于对电信号进行预处理，以生成图像数据，并将该图像数据输出。
2.根据权利要求1所述的红外立体成像探测芯片，其特征在于，对电信号进行预处理采用的是非均匀性校正方法。
3.根据权利要求1所述的红外立体成像探测芯片，其特征在于， 陶瓷外壳的侧面设置有驱控信号输出端口，用于输出驱控和红外图像预处理模块提供给面阵非制冷红外探测器的驱动和调控信号； 陶瓷外壳的侧面设置有探测器驱控信号输入端口，用于输入面阵非制冷红外探测器的驱动和调控信号。
4.根据权利要求1所述的红外立体成像探测芯片，其特征在于， 陶瓷外壳的侧面设置有第一指示灯，该灯接通用于显示驱控和红外图像预处理模块处在正常工作状态； 陶瓷外壳的侧面设置有第二指示灯，该灯接通用于显示面阵非制冷红外探测器处在正常工作状态； 陶瓷外壳的侧面设置有第三指示灯，该灯接通用于显示面阵红外折射微透镜处在正常工作状态； 陶瓷外壳的侧面设置有第五指示灯，用于显示电源已接通。
5.根据权利要求1所述的红外立体成像探测芯片，其特征在于，陶瓷外壳的底面设置有红外光电响应信号输出端口，用于将光敏元产生的电信号引入驱控和红外图像预处理模块。
6.根据权利要求1所述的红外立体成像探测芯片，其特征在于，陶瓷外壳的底面设置有第四指示灯，用于显示驱控和红外图像预处理模块处在正常的数据输入状态。
7.根据权利要求1所述的红外立体成像探测芯片，其特征在于，陶瓷外壳的底面设置有红外光电响应信号输入和红外图像数据输出端口，用于将光敏兀产生的电信号输入驱控和红外图像预处理模块，以及将序列红外图像数据从驱控和红外图像预处理模块输出。
8.根据权利要求1所述的红外立体成像探测芯片，其特征在于，陶瓷外壳的侧面设置有电源端 口，用于接入电源线与外部电源连接。
【文档编号】G01J5/02GK103512666SQ201310408366
【公开日】2014年1月15日 申请日期:2013年9月9日 优先权日:2013年9月9日
【发明者】张新宇, 佟庆, 康胜武, 罗俊, 桑红石, 谢长生 申请人:华中科技大学