一种基于波矢测量的红外成像探测芯片的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于波矢测量的红外成像探测芯片，包括面阵红外折射微透镜、面阵非制冷红外探测器和驱控预处理模块；其中，面阵非制冷红外探测器位于所述面阵红外折射微透镜的焦面处，被划分成多个阵列分布的子面阵非制冷红外探测器，每个子面阵非制冷红外探测器包括数量和排布方式相同的多个阵列分布的光敏元；面阵红外折射微透镜包括多个阵列分布的单元红外折射微透镜，每单元红外折射微透镜与一个子面阵非制冷红外探测器对应。本发明的红外成像探测芯片可测量的红外波矢方向的变动范围大，测量精度高，结构紧凑，环境适应性好，易与常规红外光学系统、电子和机械装置匹配耦合。
【专利说明】一种基于波矢测量的红外成像探测芯片
【技术领域】
[0001]本发明属于红外成像探测【技术领域】，更具体地，涉及一种基于波矢测量的红外成像探测芯片。
【背景技术】
[0002]—般而言,从目标出射的多方向红外波束在大气中传输时表现为渐次发散这样一种空间分布形态。波矢方向不同的波束在能量传送效能方面的差异，反映了目标及其不同部位向周围空域投送红外能量的能力有所不同这一属性。该属性可归并到传输波束因其波矢方向改变所导致的光场能流分布的方向差异性。也就是说与目标的结构、形貌、姿态、方位以及距离等密切相关的，红外出射光波其能流场在空间分布和演化方面的变动，与红外波束其波矢的空间分布和传播形态的差异性，存在因果或递推性关联。上述差异性或关联性可通过常规成像探测操作，以目标形貌特征有所改变的平面电子姿态图像的形式再现出来，从而构成了基于波矢测量进行成像探测的物理和技术基础。
[0003]在基于波矢测量进行成像探测这一方面，目前的工作主要集中在可见光谱域。表现在通过测量目标光波基于波矢的三维展布和演化，获取仅具有细微方向差别的波矢簇所对应的电子目标图像，以及多波矢簇所对应的序列电子目标图像；发展高速高效算法对电子图像信息进行归类、扩充、细化和修饰等。在关键性的成像探测架构和数字图像信息处理方面的进展目前极为迅速。典型技术特征包括:(一)基于序列平面电子姿态图像的三维电子目标图像重建；(二)基于数字手段扩充电子图像序列获得更为完整和细腻的电子目标图像集；(三)通过在电子图像集中选取某一(类)图像，实现数字图像目标的电子再对焦，进一步清晰化或模糊化图像；(四)在电子目标场景中，通过选取不同区域或景深中的，等效于物空间中远近不同的新的物体作为对焦点而清晰化或淡化或模糊化景物；(五)通过选择特定图像序列来调整电子目标姿态，形成与常规三维影像类似的立体效果等。基于波矢测量的成像探测技术，正向着基于超大面阵光学/光电架构的硬件改进以及算法增强来快速甚至实时构建目标图像，从而显著提高成像探测效能的方向前进。
[0004]迄今为止，尽管红外成像探测技术已获得广泛应用，由于红外电磁辐射的波长远大于可见光波长，造成红外焦平面上的成像光斑远大于可见光情形，使红外图像在清晰度、对比度和细节表现等方面，较可见光图像呈现本征性差距而使图像降质。另外，考虑到红外电磁福射的能态较低，基于红外CCD、CMOS或FPAs等面阵光敏结构的光电灵敏度仍远小于可见光情形。为获得足够的光电响应信号强度，单元光敏元仍需具有足够大的面形尺寸，这一结构要求使目前的阵列化红外光敏结构的阵列规模远小于可见光情形。上述因素导致基于焦平面架构的红外成像探测所能获取的图像像质远低于可见光图像，并且这种状况将维持相当长的一段时间。因此，如何将可见光谱域基于波矢测量的成像探测架构延伸到红外谱域，找到可以弥补甚至克服上述缺陷以提升红外像质和成像探测效能的技术措施，目前仍属空白，也是发展先进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。
【发明内容】
[0005]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于波矢测量的红外成像探测芯片，可测量的红外波矢方向的变动范围大，测量精度高，结构紧凑，环境适应性好，易与常规红外光学系统、电子和机械装置匹配耦合。
[0006]为实现上述目的，本发明提供了一种红外成像探测芯片，其特征在于，包括面阵红外折射微透镜、面阵非制冷红外探测器和驱控预处理模块；其中，所述面阵非制冷红外探测器位于所述面阵红外折射微透镜的焦面处，被划分成多个阵列分布的子面阵非制冷红外探测器，每个子面阵非制冷红外探测器包括数量和排布方式相同的多个阵列分布的光敏元；所述面阵红外折射微透镜包括多个阵列分布的单元红外折射微透镜，每单元红外折射微透镜与一个子面阵非制冷红外探测器对应；所述面阵红外折射微透镜用于聚焦目标红外光波，每单元红外折射微透镜使不同波矢方向的入射光波离散化排布，定向汇聚在与该单元红外折射微透镜对应的子面阵非制冷红外探测器的相应光敏元上，所述面阵红外折射微透镜使同一波矢方向的入射光线定向聚焦在多个子面阵非制冷红外探测器相同位置的光敏元上；所述面阵非制冷红外探测器用于将聚焦在多个子面阵非制冷红外探测器上的光波转换成电信号，得到不同波矢方向的红外波束各自对应的阵列化的红外光电响应信号；所述驱控预处理模块用于将阵列化的红外光电响应信号量化并进行非均匀性校正，得到与目标出射波束的波矢分布和空间传输情况对应的序列红外图像数据。
[0007]优选地，所述子面阵非制冷红外探测器为mXn元，其中，m、n均为大于I的整数。
[0008]优选地，所述驱控预处理模块将阵列化的红外光电响应信号量化，对其进行解算并进行非均匀性校正。
[0009]优选地，所述驱控预处理模块采用SoC与FPGA结合的结构。
[0010]优选地，所述驱控预处理模块还用于为所述面阵非制冷红外探测器提供驱动和调控信号，驱动所述面阵非制冷红外探测器工作，并对所述面阵非制冷红外探测器转换的电信号进行调控。
[0011 ] 优选地，还包括陶瓷外壳和金属支撑散热板；其中，所述陶瓷外壳位于所述金属支撑散热板的上方，所述金属支撑散热板与所述陶瓷外壳固联，用于支撑和散热，所述驱控预处理模块、所述面阵非制冷红外探测器和所述面阵红外折射微透镜同轴顺序置于所述陶瓷外壳内，其中，所述面阵非制冷红外探测器位于所述驱控预处理模块的上方，所述面阵红外折射微透镜位于所述面阵非制冷红外探测器的上方，且所述面阵红外折射微透镜的光入射面通过所述陶瓷外壳的面部开孔裸露在外。
[0012]优选地，所述驱控预处理模块上设有第二端口和第二指示灯，所述面阵非制冷红外探测器上设有第三端口和第三指示灯；所述第二端口用于输出所述驱控预处理模块提供给所述面阵非制冷红外探测器的驱动和调控信号，所述第二端口还用于输入所述面阵非制冷红外探测器提供给所述驱控预处理模块的红外光电响应信号，所述第二端口还用于接收外部设备向所述红外大景深成像探测芯片输入的工作指令，所述第二指示灯用于指示所述驱控预处理模块是否处在正常工作状态；所述第三端口用于输入所述驱控预处理模块提供给所述面阵非制冷红外探测器的驱动和调控信号，所述第三端口还用于输出所述面阵非制冷红外探测器提供给所述驱控预处理模块的红外光电响应信号，所述第三指示灯用于指示所述非制冷红外探测器是否处在正常工作状态。[0013]优选地，所述驱控预处理模块上设有第四端口和第四指示灯，所述第四端口用于将所述序列红外图像数据从所述驱控预处理模块输出，所述第四指示灯用于指示所述驱控预处理模块是否处在正常数据输出状态。
[0014]优选地，所述驱控预处理模块上设有第一端口和第一指示灯，所述第一端口用于接入电源线以连接外部电源，所述第一指示灯用于指示电源是否接通。
[0015]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，具有以下有益效果:
[0016]1、目标其三维空间特征的单芯片成像探测。通过将面阵红外折射微透镜与面阵非制冷红外探测器耦合，实现不同波矢方向的红外辐射的捕获与成像探测操作，具有基于单片功能化红外探测阵列获取序列目标图像的特点。
[0017]2、测量精度高。本发明采用面阵折射微透镜和面阵非制冷红外探测器，它们均具有极高的阵列规模并被混合集成而具有极高的结构稳定性。
[0018]3、红外波矢方向的测量范围大。由于本发明采用了红外折射微透镜与子面阵非制冷红外探测器一一对应的探测架构，具有目标光波波矢方向的可测量范围大的优点。
[0019]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红外折射微透镜，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。
[0020]5、使用方便。本发明的面阵红外折射微透镜、面阵非制冷红外探测器以及驱控预处理模块被集成在单个芯片上，具有接插方便，易与常规红外光学系统、电子和机械装置匹配耦合的优点。
【专利附图】
【附图说明】
[0021]图1是本发明实施例的红外成像探测芯片的结构示意图；
[0022]图2是本发明实施例的红外成像探测芯片的工作原理图，其中，(A)为针对强辐射目标的工作原理图；(B)为针对弱辐射目标的工作原理图；(C)为不同波矢方向红外波束在子面阵非制冷红外探测器上形成的焦斑分布示例。
[0023]图1中:1-第一指示灯，2-第一端口，3-第二指示灯，4-第三指示灯，5-第二端口，6-第三端口，7-驱控预处理模块，8-面阵非制冷红外探测器，9-面阵红外折射微透镜，10-第四指示灯，11-第四端口，12-金属支撑散热板，13-陶瓷外壳。
【具体实施方式】
[0024]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。
[0025]—般而言，目标的红外出射光波在一个渐次增大的空域内散布和传播。不同波矢方向的波束在能量传送效能方面的差异，反映了目标或其不同部位向周围空域投送红外能量的能力有所不同这一属性，该属性可归并到传输光场因其波矢方向不同所导致的光场能流分布的方向差异性。该差异性通过红外成像探测操作，以目标特征有所变化的序列电子图像方式呈现出来。与此类似的是不同物距处的红外目标，也将基于出射光场其波矢在空间分布和传输形态方面的差异性，被成像系统转换为特征有所改变的序列电子目标图像。换言之，与目标的结构、形貌、姿态、方位以及距离等密切相关的红外出射光波能流场在空间分布和演化方面的变动，与目标光场波矢的空间分布和传播形态的差异性存在因果或递推性关联。上述差异性通过成像探测操作，以目标特征有所改变的序列电子图像的形式再现出来。因此，通过获取对目标光场其波束传输方向敏感的电子图像，基于序列图像信息构建三维目标及其空间运动行为，构成了基于波矢测量进行红外成像探测的基础。
[0026]如图1所示，本发明的红外成像探测芯片包括:驱控预处理模块7、面阵非制冷红外探测器8、面阵红外折射微透镜9、陶瓷外壳13和金属支撑散热板12。
[0027]陶瓷外壳13位于金属支撑散热板14的上方。金属支撑散热板14与陶瓷外壳13固联，用于支撑和散热。驱控预处理模块7、面阵非制冷红外探测器8和面阵红外折射微透镜9同轴顺序置于陶瓷外壳13内。其中，驱控预处理模块7采用SoC和FPGA结合的结构，面阵非制冷红外探测器8位于驱控预处理模块7的上方，面阵红外折射微透镜9位于面阵非制冷红外探测器8的上方且其光入射面通过陶瓷外壳13的面部开孔裸露在外。
[0028]面阵非制冷红外探测器8位于面阵红外折射微透镜9的焦面处。面阵非制冷红外探测器8被划分成多个阵列分布的子面阵非制冷红外探测器，每个子面阵非制冷红外探测器包括数量和排布方式相同的多个阵列分布的光敏元。面阵红外折射微透镜9包括多个阵列分布的单元红外折射微透镜，每单元红外折射微透镜与一个子面阵非制冷红外探测器对应，子面阵非制冷红外探测器为mXn元，其中，m、n均为大于I的整数，例如，子面阵非制冷红外探测器可以是2X2元、4X4元、8X8元甚至更大规模阵列。
[0029]面阵红外折射微透镜9用于聚焦目标红外光波，每单元红外折射微透镜使不同波矢方向的入射光线离散化排布，定向汇聚在与该单元红外折射微透镜对应的子面阵非制冷红外探测器的相应光敏元上，面阵红外折射微透镜9使同一波矢方向的入射光线定向汇聚在多个子面阵非制冷红外探测器相同位置的光敏元上。
[0030]面阵非制冷红外探测器8用于将汇聚在多个子面阵非制冷红外探测器上的光波转换成电信号，得到不同波矢方向的红外波束各自对应的阵列化的红外光电响应信号。
[0031]驱控预处理模块7用于将阵列化的红外光电响应信号量化，并进行非均匀性校正，得到与目标出射波束的波矢分布和空间传输情况对应的序列红外图像数据。
[0032]驱控预处理模块7还用于为面阵非制冷红外探测器8提供驱动和调控信号，驱动面阵非制冷红外探测器8工作，并对面阵非制冷红外探测器8转换的电信号进行调控。
[0033]驱控预处理模块7上设有第一端口 2、第二端口 5、第四端口 11、第一指示灯1、第二指示灯3和第四指示灯10。其中，第一端口 2用于接入电源线以连接外部电源，第二端口 5用于输出驱控预处理模块7提供给面阵非制冷红外探测器8的驱动和调控信号，还用于输入面阵非制冷红外探测器8提供给驱控预处理模块7的红外光电响应信号，还用于接收外部设备向探测器输入的工作指令，第四端口 11用于将序列红外图像数据从驱控预处理模块7输出，第一指示灯I用于指示电源是否接通，电源接通则第一指示灯I亮，否则熄灭，第二指示灯3用于指示驱控预处理模块7是否处在正常工作状态，驱控预处理模块7处在正常工作状态则第二指示灯3闪烁，否则熄灭，第四指示灯10用于指示驱控预处理模块7是否处在正常数据输出状态，驱控预处理模块7处在正常数据输出状态，则第四指示灯10闪烁，否则熄灭。
[0034]面阵非制冷红外探测器8上设有第三端口 6和第三指示灯4。其中，第三端口 6用于输入驱控预处理模块7提供给面阵非制冷红外探测器8的驱动和调控信号，还用于输出面阵非制冷红外探测器8提供给驱控预处理模块7的红外光电响应信号，第三指示灯4用于指示面阵非制冷红外探测器8是否处在正常工作状态，非制冷红外探测器8处在正常工作状态则第三指示灯4闪烁，否则熄灭。
[0035]上述第一端口 2、第二端口 5、第三端口 6、第四端口 11、第一指示灯1、第二指示灯
3、第三指示灯4及第四指示灯10均通过陶瓷外壳13的面部开孔裸露在外。
[0036]下面结合图1说明本发明实施例的红外成像探测芯片的工作过程。
[0037]首先用并行信号线连接第二端口 5和第三端口 6，同时连接并行通讯线至第二端口 5，连接并行数据线至第四端口 11，连接电源线到第一端口 2。通过并行通讯线由第二端口 5送入电源开启指令，探测器开始自检，此时第一指示灯1、第二指示灯3、第三指示灯4、第四指示灯10接通闪烁。自检通过后第一指示灯I亮，第二指示灯3、第三指示灯4，以及第四指示灯10熄灭，探测器进入工作状态。通过并行通讯线由第二端口 5送入开始工作指令后，探测器开始进行光电响应信号测量。驱控预处理模块7经第二端口 5和第三端口 6向面阵非制冷红外探测器8输入驱动和调控信号，面阵非制冷红外探测器8经第二端口 5和第三端口 6向驱控预处理模块7输出红外光电响应信号，此时第二指示灯3及第三指示灯4再次接通闪烁。红外光电响应信号经驱控预处理模块7处理后得到的序列红外图像数据由第四端口 11输出，此时第四指示灯10再次接通闪烁。
[0038]图2是本发明实施例的红外成像探测芯片在探测红外图像目标时的工作原理图，为使本领域技术人员更好地理解本发明，下面结合图2详细说明本发明的红外成像探测芯片的工作原理。
[0039]如图2 (A)所示，图像目标上的任意物点均向周围空域发射放射状的多方向锥形波束，以及演化成的传输方向相对固定的行进光线，其指向即为波矢方向。将面阵红外折射微透镜与面阵非制冷红外探测器匹配耦合，构成基于波矢测量的红外成像探测架构。在所设定的阵列规模或空间分辨率模式下，每单元红外折射微透镜对应4X4元子面阵非制冷红外探测器。针对强辐射目标，通过每单元红外折射微透镜对特定波矢入射波束的定向聚焦作用，将已直线化的锥形光束其细微的波矢方向差别，通过微透镜对入射波束的离散化排布加以显现，并被进一步定向聚焦在与各单元红外折射微透镜对应的子面阵非制冷红外探测器的相应光敏元上。面阵红外折射微透镜使同一波矢方向的入射光线定向汇聚在多个子面阵非制冷红外探测器相同位置的光敏元上，从而将入射光线按其波矢方向通过微透镜阵列，实现基于波矢方向的阵列化离散和再聚焦。典型的由ξ、K , C3波矢表征的红外波束所形成的焦斑情形如图2 (A)所示，为使图形表达清晰，图中每个4X4元子面阵非制冷红外探测器对应一个波矢方向红外波束焦斑，另外两个波矢方向红外波束光路及其形成的焦斑省略未不出。
[0040]面阵非制冷红外探测器将入射光波转换为电信号，得到不同波矢方向的阵列化红外波束所对应的红外光电响应信号阵列。驱控预处理模块(图中未示出)将阵列化的红外光电响应信号量化，进行非均匀性校正，得到与目标出射波束其波矢分布相对应的序列红外图像数据，即得到在一定视角范围内以不同视角观察目标的多幅平面姿态图像数据。[0041]如图2 (B)所示，针对弱辐射目标，需利用由主镜构成的成像光学系统提高对目标红外出射波束的收集能力。通过将基于波矢测量的红外成像探测芯片置于主镜的焦面处或进行弱离焦配置，进行红外图像信息捕获操作。由于成像光学系统首先对红外目标光波施加汇聚操作，即主镜对其执行了聚束式压缩，红外目标波束的波矢分布将产生相应变化。考虑到这一因素，在通过驱控预处理模块对红外光电信号进行量化处理后，还需进行相应解算，然后执行非均匀性校正，得到目标的序列红外图像数据。
[0042]图2 (C)给出了一种典型的由不同波矢方向红外波束在子面阵非制冷红外探测器上形成的焦斑分布情况，如图所示，单元红外折射微透镜将不同波矢方向的光束离散化再聚焦于子面阵非制冷红外探测器的特定光敏元上。
[0043]本发明的红外成像探测芯片，通过将面阵红外折射微透镜与面阵非制冷红外探测器耦合，采用单元红外折射微透镜与子面阵非制冷红外探测器一一对应的探测架构，可测量的红外波矢方向变动范围大，测量精度高，能实现动/静态目标空间特征的成像探测，环境适应性好，使用方便，易与常规红外光学系统、辅助电子和机械装置匹配耦合。
[0044]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】
1.一种红外成像探测芯片，其特征在于，包括面阵红外折射微透镜、面阵非制冷红外探测器和驱控预处理模块；其中， 所述面阵非制冷红外探测器位于所述面阵红外折射微透镜的焦面处，被划分成多个阵列分布的子面阵非制冷红外探测器，每个子面阵非制冷红外探测器包括数量和排布方式相同的多个阵列分布的光敏兀； 所述面阵红外折射微透镜包括多个阵列分布的单元红外折射微透镜，每单元红外折射微透镜与一个子面阵非制冷红外探测器对应； 所述面阵红外折射微透镜用于聚焦目标红外光波，每单元红外折射微透镜使不同波矢方向的入射光波离散化排布，并定向汇聚在与该单元红外折射微透镜对应的子面阵非制冷红外探测器的相应光敏元上，所述面阵红外折射微透镜使同一波矢方向的入射光线定向汇聚在多个子面阵非制冷红外探测器相同位置的光敏元上； 所述面阵非制冷红外探测器用于将聚焦在多个子面阵非制冷红外探测器上的光波转换成电信号，得到不同波矢方向的红外波束各自对应的阵列化的红外光电响应信号； 所述驱控预处理模块用于将阵列化的红外光电响应信号量化并进行非均匀性校正，得到与目标出射波束的波矢分布及其空间传输情况对应的序列红外图像数据。
2.如权利要求1所述的红外成像探测芯片，其特征在于，所述子面阵非制冷红外探测器为mXn元，其中，m、n均为大于I的整数。
3.如权利要求1所述的红外成像探测芯片，其特征在于，所述驱控预处理模块将阵列化的红外光电响应信号量化，对其进行解算，以及进行非均匀性校正。
4.如权利要求1所述的红外成像探测芯片，其特征在于，所述驱控预处理模块采用SoC与FPGA结合的结构。
5.如权利要求1至4中任一项所述的红外成像探测芯片，其特征在于，所述驱控预处理模块还用于为所述面阵非制冷红外探测器提供驱动和调控信号，驱动所述面阵非制冷红外探测器工作，并对所述面阵非制冷红外探测器转换的光电信号进行调控。
6.如权利要求1至5中任一项所述的红外成像探测芯片，其特征在于，还包括陶瓷外壳和金属支撑散热板；其中， 所述陶瓷外壳位于所述金属支撑散热板的上方，所述金属支撑散热板与所述陶瓷外壳固联，用于支撑和散热，所述驱控预处理模块、所述面阵非制冷红外探测器和所述面阵红外折射微透镜同轴顺序置于所述陶瓷外壳内，其中，所述面阵非制冷红外探测器位于所述驱控预处理模块的上方，所述面阵红外折射微透镜位于所述面阵非制冷红外探测器的上方，且所述面阵红外折射微透镜的光入射面通过所述陶瓷外壳的面部开孔裸露在外。
7.如权利要求6所述的红外成像探测芯片，其特征在于，所述驱控预处理模块上设有第二端口和第二指示灯，所述面阵非制冷红外探测器上设有第三端口和第三指示灯； 所述第二端口用于输出所述驱控预处理模块提供给所述面阵非制冷红外探测器的驱动和调控信号，所述第二端口还用于输入所述面阵非制冷红外探测器提供给所述驱控预处理模块的红外光电响应信号，所述第二端口还用于接收外部设备向所述红外大景深成像探测芯片输入的工作指令，所述第二指示灯用于指示所述驱控预处理模块是否处在正常工作状态； 所述第三端口用于输入所述驱控预处理模块提供给所述面阵非制冷红外探测器的驱动和调控信号，所述第三端口还用于输出所述面阵非制冷红外探测器提供给所述驱控预处理模块的红外光电响应信号，所述第三指示灯用于指示所述非制冷红外探测器是否处在正常工作状态。
8.如权利要求7所述的红外成像探测芯片，其特征在于，所述驱控预处理模块上设有第四端口和第四指示灯，所述第四端口用于将所述序列红外图像数据从所述驱控预处理模块输出，所述第四指示灯用于指示所述驱控预处理模块是否处在正常数据输出状态。
9.如权利要求8所述的红外成像探测芯片，其特征在于，所述驱控预处理模块上设有第一端口和第一指示灯，所述第一端口用于接入电源线以连接外部电源，所述第一指示灯用于指示电源是否接通。
【文档编号】G01J5/10GK103542940SQ201310443095
【公开日】2014年1月29日 申请日期:2013年9月25日 优先权日:2013年9月25日
【发明者】张新宇, 罗俊, 康胜武, 佟庆, 梁巢兵, 王文, 桑红石, 谢长生 申请人:华中科技大学