一种电调平面与三维光场双模成像探测芯片的制作方法

本发明属于成像探测技术领域，更具体地，涉及一种电调平面与三维光场双模成像探测芯片，通过集成电控液晶微光学结构与面阵光敏探测器，实现常规平面成像与三维光场成像的电控选择或切换。

背景技术：

近些年来，基于CCD、CMOS大面阵焦平面光敏器件的成像探测技术，在军事和民用领域获得了广泛应用，所展现的巨大市场容量和广阔商业前景进一步推动着该技术的持续快速发展。一般而言，现有焦平面成像探测方式主要基于置放在成像光学系统焦面处的光敏阵列获取电子目标图像，实现从实体目标到电子影像的映射性转换。像质的优劣除受制于光敏阵列规模与光敏性能外，还与目标光场的辐射特征，大气等环境介质中的光能输运效能，光场的特征压缩与感知方式等紧密相关。迄今为止，光敏器件的阵列规模仍在持续扩大，目前可见光谱域的商用光敏芯片已在千万像素级，实验室级的单片科研产品已超过亿像素水平，光敏元结构尺寸已被缩至一个微米以下，已能较好满足常规平面成像模式下的空间分辨率和辐射分辨率需求。通常情况下，自然或人工物质结构常以发散形态辐射光波，从而将目标的位置、形态、大小、运动轨迹或姿态变动等动静态行为特征加以展现。通过成像设备中的光学系统执行目标的局域辐射光场的无选择缩放操控，使目标的局域光能流空间展布被成像光学系统压缩在其焦平面上，形成由光敏阵列所感知的微平面甚至微弧面成像光场。基于平面成像模式的常规成像探测架构，由各光敏元通过成像光学系统对不同目标区块的角空间辐射能量进行收集并执行光电转换，其所包含的各子辐射方向上的微锥体内的光能量则可以进一步通过三维光场成像模式加以感测。在这一模式下，与常规平面成像模式相对应的每单元探测器，被一个与其具有相同形貌尺寸的子面阵探测器取代。现阶段通过光场成像模式已可以实现目标的局域三维图像获取，实现数字立体成像，宽大景深内的数字目标群构建，目标的层析化解析，测量目标光波矢在空间中的三维展布，获取基于目标姿态的电子图像序列，通过图像数据后处理实现数字图像目标再对焦，进一步清晰化或模糊化电子目标图像等。

目前，针对常规平面成像模式所匹配的探测器阵列规模，已可以充分满足实现清晰成像在空间分辨率和辐射分辨率等的要求,并显示较大像素冗余潜力。随着应用领域的日益深化和扩展，光敏方法与器件工艺水平的持续拓展与提升，片上数字图像信息处理算法与电子学器件技术的不断优化、完善与发展，技术进步与应用所驱动的进一步增强成像探测能力这一要求已日显迫切，常规三维光场成像与平面成像这两个模式已显示能力明显不足这一缺陷。主要问题包括：(一)基于固定轮廓的折射汇聚微透镜阵列与光敏阵列耦合的光敏架构，受每单元微透镜这一子孔径约束，不适用于执行高空间分辨率的成像探测操作；(二)基于可调焦微透镜阵列与光敏芯片集成的架构形态，因主要围绕景深扩展配置功能结构因而存在结构和性能局限性；(三)对运动目标所执行的近距离三维成像及其平动与转动参数获取，与远距离平面成像效能增强这二者难以有效兼容，常通过配置独立的光学成像装置完成；(四)通过拼接光敏阵列执行三维光场成像与常规平面成像的光敏芯片，限于共光学孔径这一成图操作，其各自的性能指标因需要相互兼顾使适用性被显著降低。总之，发展三维光场成像与平面成像相融合的一体化光敏芯片架构，是目前进一步发展高性能成像探测技术的热点和难点问题，迫切需要新的突破。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种电调平面与三维光场双模成像探测芯片，能将常规的高空间分辨率的平面成像模式与空间分辨率相对降低的三维光场成像模式融合在一个成像探测架构中，并通过加载电信号执行成像模式的选择，具有成像模式切换灵活，调光响应快，以及目标的高空间分辨率平面图像与其局域三维形态/姿态特征兼容获取的特点。

为实现上述目的，本发明提供了一种电调平面与三维光场双模成像探测芯片，其特征在于，包括电控液晶微光学结构和面阵光敏探测器；所述电控液晶微光学结构包括液晶材料层，依次设置在液晶材料层上表面的第一液晶初始定向层、图形化电极层、第一基片和保护增透膜，以及依次设置在液晶材料层下表面的第二液晶初始定向层、公共电极层和第二基片；所述公共电极层由导电透光膜构成，所述图形化电极层由其上布有m×n元阵列分布的电极微孔的导电透光膜构成，其中，m、n均为大于1的整数；在所述图形化电极层和所述公共电极层间加载的信号电压的均方幅值高于某一阈值时，所述电控液晶微光学结构等效为由m×n元阵列分布的单元电控液晶微透镜构成的面阵电控液晶微透镜，所述双模成像探测芯片呈现三维光场成像模式，其清晰成像的空间分辨率由所述面阵电控液晶微透镜的阵列规模决定，通过调节信号电压的均方幅值调变所述单元电控液晶微透镜的聚光能力，使三维光场成像具备电控调变效能；在所述图形化电极层和所述公共电极层间加载的信号电压的均方幅值低于所述阈值或不加载信号电压时，所述电控液晶微光学结构等效为对入射光波具有延迟作用的液晶相移板，所述双模成像探测芯片被调变或切换为具有高空间分辨率的常规平面成像模式。

优选地，所述电极微孔为规则图形的孔结构，定义电极微孔填充系数为单个电极微孔的面积占单元电控液晶成像微透镜的通光面积的比率，所述电极微孔填充系数不低于50％。

优选地，所述电极微孔为长方形、十字形、三角形、正方形、五边形、六边形、圆形或椭圆形。

优选地，所述液晶材料层为微米级厚度，所述液晶初始定向层为纳米级厚度。

优选地，上述双模成像探测芯片还包括陶瓷外壳，所述电控液晶微光学结构与所述面阵光敏探测器被同轴顺序排布耦合并封装在所述陶瓷外壳中，所述陶瓷外壳的顶部设有光入射窗口，使所述电控液晶微光学结构的受光面裸露在外，用于接收外界入射光场。

优选地，所述陶瓷外壳上设有端口和指示灯，所述端口用于从外界向所述双模成像探测芯片输入工作指令，向所述电控液晶微光学结构输入驱动和调控信号，以及向外界输出所述双模成像探测芯片的图像数据，所述指示灯用于指示所述双模成像探测芯片是否处在正常工作状态。

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：

1、通过将电控液晶微光学结构与面阵光敏探测器耦合构成能电调常规平面成像与三维光场成像的架构形态，具有基于时序加电操作将双模成像模式加以融合的特点；

2、通过在电控液晶微光学结构上灵活加载能调变频率、幅度和占空比的电压信号，实现常规高空间分辨率平面成像模式与三维光场成像模式间的选择与切换，具有模式改变灵活，调光响应快，以及目标的高空间分辨率平面图像与其局域三维形态/姿态特征兼容获取的特点；

3、通过在电控液晶微光学结构的图形电极和公共电极间激励阵列化微电场构建出功能化的控光结构，具有快速、稳定及环境影响低的控光特点；

4、具有易于插入常规成像光路中替换传统光敏成像芯片执行电控双模成像探测的特点。

附图说明

图1是本发明实施例的电调平面与三维光场双模成像探测芯片的结构示意图；

图2是本发明实施例的电调平面与三维光场双模成像探测芯片的光学成像应用配置示意图；

图3是本发明实施例的电调平面与三维光场双模成像探测芯片的电控液晶微光学结构示意图，其中，(a)是液晶相移板，(b)是面阵电控液晶汇聚微透镜；

图4是本发明实施例的电调平面与三维光场双模成像探测芯片的电极形态示意图；

图5是典型的电极微孔结构。

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：1-面阵光敏探测器，2-端口，3-指示灯，4-电控液晶微光学结构，5-光入射窗口，6-陶瓷外壳。

具体实施方式

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。

图1是本发明实施例的一种电调平面与三维光场双模成像探测芯片的结构示意图。如图所示，电控液晶微光学结构4和面阵光敏探测器1被同轴顺序排布并封装在陶瓷外壳6中，将提供供电、控制信号与数据传输功能的并行线接入端口2，用于从外界向双模成像探测芯片输入工作指令，向电控液晶微光学结构4输入驱动和调控信号，以及向外界输出双模成像探测芯片的图像数据。指示灯3用于指示双模成像探测芯片是否处在正常工作状态，当双模成像探测芯片处在正常工作状态时，指示灯3接通闪烁。陶瓷外壳6的顶部设有光入射窗口5，使电控液晶微光学结构4的受光面裸露在外，用于接收外界入射光场，并对其执行控光操作。

图2是本发明实施例的电调平面与三维光场双模成像探测芯片的光学成像应用配置示意图。如图所示，双模成像探测芯片被置于成像光学系统或主镜的焦面处，主镜所形成的压缩光场通过双模成像探测芯片的光入射窗口5进入电控液晶微光学结构4中。在三维光场成像模式下，电控液晶微光学结构4形成面阵电控液晶微透镜，每单元电控液晶微透镜将投射到其表面的光波，进一步汇聚并投射到与其对应的子面阵光敏探测器上。在常规平面成像模式下，电控液晶微光学结构4形成液晶相移板，通过主镜的压缩光场被液晶相移板延迟后送入面阵光敏探测器，执行高空间分辨率平面成像探测操作。

图3是本发明实施例的电调平面与三维光场双模成像探测芯片的电控液晶微光学结构示意图。如图所示，电控液晶微光学结构包括液晶材料层，依次设置在液晶材料层上表面的第一液晶初始定向层、图形化电极层、第一基片和保护增透膜，以及依次设置在液晶材料层下表面的第二液晶初始定向层、公共电极层和第二基片。其中，液晶材料层为微米级厚度，液晶初始定向层为纳米级厚度，同时起电绝缘作用，保护增透膜通过陶瓷外壳6上的光入射窗口5裸露在外，用于接收外界入射光场。

电控液晶微光学结构随所加载的电压信号情况，分别呈现图3(a)所示的液晶相移板和图3(b)所示的面阵电控液晶微透镜这两个功能形态。具体地，其主要功能结构包括：(一)在两个外表面分别制有保护膜/光增透膜以及图案电极的顶层基片结构；(二)在单侧外表面制有公共电极的底层基片结构；(三)在两个基片间所充分填充的微米级厚度液晶材料。该图同时给出了与电控液晶微光学结构匹配的面阵光敏探测器的结构配置情况。当图形化电极层和公共电极层间加载的信号电压的均方幅值低于阈值或不加载信号电压时，电控液晶微光学结构将被调变或切换为仅延迟入射光波的液晶相移板，双模成像探测芯片呈现具有高空间分辨率的常规平面成像模式。将时序电压信号V1加载在图形化电极层与公共电极层上，在正常加电态下，即信号电压的均方幅值高于阈值，激励出的电场对液晶分子施加转向作用，液晶分子的转向程度受电场强弱及其空间指向的影响，电控液晶微光学结构将被调变或切换为面阵电控液晶微透镜，V1既可以是正性电压信号，也可以是负性电压信号，见图示的施加在从图案电极和公共电极中分别引出的电连接线上的电压信号情况，此时双模成像探测芯片呈现空间分辨率被相对降低的三维光场成像模式。图中也用具有凸轮廓形态的折射微透镜阵列来形象显示液晶汇聚微透镜的折射率分布特征。

如图4所示，公共电极层由导电透光膜构成，图形化电极层由其上布有m×n元阵列分布的电极微孔的导电透光膜构成，其中，m、n均为大于1的整数。在图形化电极层和公共电极层间加载的信号电压的均方幅值高于阈值时，电控液晶微光学结构等效为面阵电控液晶微透镜，面阵电控液晶微透镜由m×n元阵列分布的单元电控液晶微透镜构成，单元电控液晶微透镜与电极微孔一一对应，每个电极微孔位于对应的单元电控液晶微透镜的中心，形成单元电控液晶微透镜的上电极，所有单元电控液晶微透镜的下电极由公共电极层提供。面阵光敏探测器被划分成m×n元阵列分布的子面阵光敏探测器，子面阵光敏探测器与单元电控液晶微透镜一一对应。

定义电极微孔填充系数为单个电极微孔的面积占单元电控液晶微透镜的通光面积的比率，电极微孔为规则图形的孔结构，其填充系数应不低于50％。如图5所示，电极微孔可以为长方形、十字形、三角形、正方形、五边形、六边形、圆形或椭圆形。

下面详细说明本发明实施例的电调平面与三维光场双模成像探测芯片的工作过程。首先将一组可提供供电、控制信号与数据传输的并行线接入端口，然后分别输入驱控面阵光敏探测器工作的电子学信号，以及驱控电控液晶微光学结构工作的具有特定频率、幅度和占空比的时序电压信号，此时双模成像探测芯片工作在三维光场成像模式；将加载在液晶微光学结构上的信号电压的均方幅值降低至阈值以下或直接切断电压信号，双模成像探测芯片则被切换到常规的高空间分辨率平面成像模式；三维光场图像数据或高空间分辨率平面图像数据则通过接入到第一端口上的并行线输出；在上述工作过程中，指示灯持续接通闪烁。

具体地，在图形化电极层和公共电极层间加载的信号电压的均方幅值高于某一阈值时，液晶材料层的液晶分子在电场的驱动下形成特定的空间排布形态，电控液晶微光学结构等效为面阵电控液晶微透镜，双模成像探测芯片呈现三维光场成像模式，其清晰成像的空间分辨率由液晶微透镜的阵列规模决定，通过调节信号电压的均方幅值调变液晶分子的空间排布形态，进而调变面阵电控液晶微透镜的每单元电控液晶微透镜的聚光能力，使三维光场成像具备电控调变效能；在图形化电极层和公共电极层间加载的信号电压的均方幅值低于该阈值或不加载信号电压时，液晶材料层的液晶分子回归至本征分布态，电控液晶微光学结构等效为对入射光波具有延迟作用的液晶相移板，双模成像探测芯片被调变或切换为具有高空间分辨率的常规平面成像模式。也就是说，双模成像探测芯片在电信号的作用下实现对高空间分辨率平面成像模式与三维光场成像模式的选择与切换，这种双成像模式的电选或电控切换，通过调变加载在电控液晶微光学结构的图形化电极层和公共电极层上的电压信号的频率、幅度或占空比完成。

本发明的电调平面与三维光场双模成像探测芯片，采用电控方式驱动电控液晶微光学结构为面阵电控液晶微透镜或液晶相移板，使双模成像探测芯片基于电选或电切换执行三维光场成像探测或常规的高空间分辨率平面成像探测，具有模式变换灵活、调光响应快、目标的高空间分辨率平面图像与其局域三维形态/姿态特征兼容获取的特点。

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。