專利名稱：混合集成面陣液晶微透鏡與紅外探測器的波前測量芯片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于紅外成像探測技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種混合集成面陣液晶微透鏡與紅外探測器的波前測量芯片。
背景技術(shù)：
隨著紅外光學(xué)/光電圖像模擬、仿真、顯示和成像探測技術(shù)的迅速發(fā)展，高精度測量目標(biāo)、景物的紅外輻射波前信息，獲得與目標(biāo)運動特征或復(fù)雜背景相關(guān)的紅外波前的遷移、演化、擾動甚至畸變行為，目前受到了廣泛關(guān)注和重視。迄今為止，已發(fā)展了多種波前獲取方法，在測量波前物理效應(yīng)基礎(chǔ)上，通過特定算法解算測量數(shù)據(jù)從而反演出波前。關(guān)鍵性的波前測量組件則經(jīng)歷了從體積質(zhì)量功耗較大的組合裝置，進(jìn)一步小型化，以及目前的芯片化這樣的轉(zhuǎn)變。波前的測量精度得到逐步提高，測量范圍逐漸擴(kuò)大，測試環(huán)境從實驗室進(jìn)一步擴(kuò)展到了野外場所?；赟H (Shack-Hartmann)波前測量效應(yīng)的折射/衍射微透鏡陣列與面陣探測器已實現(xiàn)混合、單片集成。所測量的電磁波譜從可見光進(jìn)一步擴(kuò)展到了紅外譜域。盡管如此，現(xiàn)有基于SH效應(yīng)的波前測量芯片具有下述缺陷:(一)芯片仍需配置體積和功耗較大的驅(qū)控和光電信息預(yù)處理裝置；(二)無可調(diào)變波前測量能力，無法根據(jù)目標(biāo)的輻射、運動及背景情況，增大或減小子平面波前傾角的測量范圍，也就是目標(biāo)波前的變動范圍；(三)輻照適應(yīng)性差，無法通過光學(xué)手段調(diào)變探測器接收的輻射通量，以及降低微透鏡間的光波串?dāng)_；(四)環(huán)境適應(yīng)性不足，無法通過調(diào)變焦斑位置，即調(diào)變子平面波前的傾角，使因環(huán)境或?qū)剐砸蛩匾l(fā)的波前改變，得到調(diào)整、較正甚至復(fù)原，從而降低甚至剔除環(huán)境因素對波前測量的影響。

實用新型內(nèi)容本實用新型的目的在于提供一種混合集成面陣液晶微透鏡與紅外探測器的波前測量芯片，其具有紅外波前的測量范圍大、精度高，可覆蓋多個紅外譜段，目標(biāo)和環(huán)境適應(yīng)性好，體積和質(zhì)量小，易與其它光學(xué)/光電/機(jī)械結(jié)構(gòu)耦合的特點。為實現(xiàn)上述目的，本實用新型提供了一種混合集成面陣液晶微透鏡與紅外探測器的波前測量芯片，包括陶瓷外殼和金屬散熱板，陶瓷外殼后部設(shè)置于金屬散熱板頂部，還包括驅(qū)控與波前預(yù)處理模塊、面陣非制冷紅外探測器、以及面陣電控液晶微透鏡，驅(qū)控與波前預(yù)處理模塊、面陣非制冷紅外探測器、以及面陣電控液晶微透鏡同軸順序設(shè)置于陶瓷外殼內(nèi)，驅(qū)控與波前預(yù)處理模塊設(shè)置于陶瓷外殼后部與金屬散熱板連接處，面陣非制冷紅外探測器設(shè)置于驅(qū)控與波前預(yù)處理模塊頂部，面陣電控液晶微透鏡設(shè)置于面陣非制冷紅外探測器頂部，每單元電控液晶微透鏡與多個順序排列的非制冷紅外探測器構(gòu)成的子紅外探測器陣列對應(yīng)，各子紅外探測器陣列具有相同的探測器數(shù)量和排布方式，子紅外探測器陣列的數(shù)量與面陣電控液晶微透鏡的陣列規(guī)模一致，面陣電控液晶微透鏡用于接收目標(biāo)紅外光波，根據(jù)其陣列規(guī)模將目標(biāo)紅外光波的波前，離散化成以傾角表征的子平面波前陣列，并將各子平面波前聚焦到相應(yīng)的子紅外探測器陣列上，子紅外探測器陣列用于將子平面波前轉(zhuǎn)換為電響應(yīng)信號，驅(qū)控與波前預(yù)處理模塊用于將電響應(yīng)信號進(jìn)行量化和非均勻性校正處理，并對處理后的電響應(yīng)信號基于波前復(fù)原算法解算，以得到紅外波前數(shù)據(jù)。陶瓷外殼的側(cè)面設(shè)置有驅(qū)控信號輸出端口，其與探測器驅(qū)控信號輸入端口電連接，用于輸出驅(qū)控與波前預(yù)處理模塊提供給面陣非制冷紅外探測器的驅(qū)控和調(diào)控信號，陶瓷外殼的側(cè)面設(shè)置有第一指示燈，其與驅(qū)控與波前預(yù)處理模塊電連接，用于顯示驅(qū)控與波前預(yù)處理模塊處在正常工作狀態(tài)，陶瓷外殼的側(cè)面設(shè)置有探測器驅(qū)控信號輸入端口，其與驅(qū)控信號輸出端口電連接，用于輸入面陣非制冷紅外探測器的驅(qū)動和調(diào)控信號，陶瓷外殼的側(cè)面設(shè)置有第二指示燈，其與驅(qū)控與波前預(yù)處理模塊電連接，用于顯示面陣非制冷紅外探測器處在正常工作狀態(tài)，陶瓷外殼的側(cè)面設(shè)置有微透鏡驅(qū)控信號輸入端口，其與驅(qū)控信號輸出端口電連接，用于輸入面陣電控液晶微透鏡的驅(qū)動和調(diào)控信號，陶瓷外殼的側(cè)面設(shè)置有第三指示燈，其與驅(qū)控與波前預(yù)處理模塊電連接，用于顯示面陣電控液晶微透鏡處在正常工作狀態(tài)，陶瓷外殼的側(cè)面設(shè)置有電源端口，用于接入電源線以與外部電源連接，陶瓷外殼的側(cè)面設(shè)置有第七指示燈，其與驅(qū)控與波前預(yù)處理模塊電連接，用于顯示電源已接通，陶瓷外殼的側(cè)面設(shè)置有通訊端口，用于與外部電子裝置連接以接收工作指令，陶瓷外殼的側(cè)面設(shè)置有第八指示燈，其與驅(qū)控與波前預(yù)處理模塊電連接，用于顯示通訊端口處在正常工作狀態(tài)。陶瓷外殼的底面設(shè)置有波前測量信號輸出端口，其與測量信號輸入端口電連接，用于輸出面陣非制冷紅外探測器的光電響應(yīng)信號至驅(qū)控與波前預(yù)處理模塊，陶瓷外殼的底面設(shè)置有第四指示燈，其與驅(qū)控與波前預(yù)處理模塊電連接，用于顯示面陣非制冷紅外探測器處在正常的信號輸出狀態(tài)，陶瓷外殼的底面設(shè)置有測量信號輸入端口，其與波前測量信號輸出端口電連接，用于將面陣非制冷紅外探測器的光電響應(yīng)信號引入驅(qū)控與波前預(yù)處理模塊，陶瓷外殼的底面設(shè)置有第五指示燈，其與驅(qū)控與波前預(yù)處理模塊電連接，用于顯示驅(qū)控與波前預(yù)處理模塊處在正常的數(shù)據(jù)輸入狀態(tài)，陶瓷外殼的底面設(shè)置有紅外波前數(shù)據(jù)輸出端口，用于輸出所測量的紅外波前數(shù)據(jù)，陶瓷外殼的底面設(shè)置有第六指示燈，其與驅(qū)控與波前預(yù)處理模塊電連接，用于顯示驅(qū)控與波前預(yù)處理模塊處在正常的數(shù)據(jù)輸出狀態(tài)。
驅(qū)控與波前預(yù)處理模塊采用SoC和FPGA的結(jié)構(gòu)。驅(qū)控與波前預(yù)處理模塊還用于為面陣電控液晶微透鏡、以及面陣非制冷紅外探測器提供驅(qū)動和調(diào)控信號。面陣電控液晶微透鏡還用于根據(jù)調(diào)控信號改變其焦長和通光孔徑，以調(diào)控目標(biāo)紅外光波的波前的測量范圍與效能。對處理后的電響應(yīng)信號基于波前復(fù)原算法解算步驟具體為:(I)在面陣電控液晶微透鏡中，位于光入射面上的左起上數(shù)橫向第i行、縱向第j列的單元微透鏡，將相應(yīng)的子平面波前匯聚到與其對應(yīng)的子紅外探測器陣列上，
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匯聚光斑的光學(xué)質(zhì)心座標(biāo)(Xipyi,p，分別滿足關(guān)系式Xi= Hr 'V'、，和
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鏡對應(yīng)的子紅外探測器陣列上的光強(qiáng)分布函數(shù)，積分操作覆蓋子紅外探測器陣列的所有光敏區(qū)域；(2)將匯聚光斑的光學(xué)質(zhì)心位置數(shù)據(jù)，分別帶入關(guān)系式tg4w 和tg<;i =ψ
后，以得到子平面波前的傾角Φ，其中h為電控液晶微透鏡與子紅外探測器光敏面之間的距離；(3)將上述操作施加于電控液晶微透鏡陣列，以復(fù)原紅外入射波前。通過本實用新型所構(gòu)思的以上技術(shù)方案，與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下的有益效果:1、測量精度高，由于本實用新型采用面陣電控液晶微透鏡和面陣非制冷紅外探測器，它們均具有極高的陣列規(guī)模并被混合集成而具有極高的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，所以本實用新型具有測量精度高的優(yōu)點；2、測量范圍大，由于本實用新型采用了焦長和通光孔徑電調(diào)變的面陣電控液晶微透鏡，其具有動態(tài)變焦和電調(diào)能量利用率的特點，所以本實用新型具有波前的測量范圍大的優(yōu)點；3、目標(biāo)和環(huán)境適應(yīng)性好，由于本實用新型采用了光學(xué)性能可快速調(diào)變的面陣電控液晶微透鏡，可根據(jù)環(huán)境和目標(biāo)情況對入射光波進(jìn)行快速變換，所以本實用新型具有目標(biāo)和環(huán)境適應(yīng)性好的優(yōu)點；4、探測譜域?qū)?，?于本實用新型采用了面陣非制冷紅外探測器，可以對1-3 μ m、3-5 μ m以及8-14 μ m等譜段的紅外光波進(jìn)行探測，所以本實用新型具有探測譜域?qū)挼膬?yōu)
占.y \\\ 95、使用方便，由于本實用新型采用了集成面陣電控液晶微透鏡、面陣非制冷紅外探測器、以及驅(qū)控與波前預(yù)處理模塊這樣的體系架構(gòu)，所以本實用新型具有接插方便，易與光學(xué)系統(tǒng)、其它電子學(xué)和機(jī)械裝置耦合的優(yōu)點。

圖1是本實用新型的混合集成面陣液晶微透鏡與紅外探測器的波前測量芯片的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本實用新型的混合集成面陣液晶微透鏡與紅外探測器的波前測量芯片的原理示意圖。圖1中:1_驅(qū)控信號輸出端口，2-第一指示燈，3-驅(qū)控與波前預(yù)處理模塊，4-探測器驅(qū)控信號輸入端口，5-第二指示燈，6-面陣非制冷紅外探測器，7-微透鏡驅(qū)控信號輸入端口，8-第三指示燈，9-面陣電控液晶微透鏡，10-第四指示燈，11-波前測量信號輸出端口，12-第五指示燈，13-測量信號輸入端口，14-第六指示燈，15-紅外波前數(shù)據(jù)輸出端口，16-電源端口，17-通訊端口，18-陶瓷外殼，19-金屬散熱板，20-第七指示燈，21-第八指示燈。
具體實施方式
為了使本實用新型的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，
以下結(jié)合附圖及實施例，對本實用新型進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本實用新型，并不用于限定本實用新型。如圖1所示，本實用新型的混合集成面陣液晶微透鏡與紅外探測器的波前測量芯片包括陶瓷外殼18、金屬散熱板19、驅(qū)控與波前預(yù)處理模塊3、面陣非制冷紅外探測器6、以及面陣電控液晶微透鏡9。陶瓷外殼18后部設(shè)置于金屬散熱板19頂部。驅(qū)控與波前預(yù)處理模塊3、面陣非制冷紅外探測器6、以及面陣電控液晶微透鏡9同軸順序設(shè)置于陶瓷外殼18內(nèi)。驅(qū)控與波前預(yù)處理模塊3設(shè)置于陶瓷外殼18后部與金屬散熱板19連接處，驅(qū)控與波前預(yù)處理模塊3采用SoC和FPGA的結(jié)構(gòu)。`面陣非制冷紅外探測器6設(shè)置于驅(qū)控與波前預(yù)處理模塊3頂部。面陣電控液晶微透鏡9設(shè)置于面陣非制冷紅外探測器6頂部。每單元電控液晶微透鏡與多個順序排列的非制冷紅外探測器構(gòu)成的子紅外探測器陣列對應(yīng)，各子紅外探測器陣列具有相同的探測器數(shù)量和排布方式，子紅外探測器陣列的數(shù)量與面陣電控液晶微透鏡9的陣列規(guī)模一致。面陣電控液晶微透鏡9用于接收目標(biāo)紅外光波，根據(jù)其陣列規(guī)模將目標(biāo)紅外光波的波前，離散化成以傾角表征的子平面波前陣列，并將各子平面波前聚焦到相應(yīng)的子紅外探測器陣列上。
``[0033]子紅外探測器陣列用于將子平面波前轉(zhuǎn)換為電響應(yīng)信號；驅(qū)控與波前預(yù)處理模塊3用于將電響應(yīng)信號進(jìn)行量化和非均勻性校正處理，并對處理后的電響應(yīng)信號基于波前復(fù)原算法解算，以得到紅外波前數(shù)據(jù)。具體計算過程如下:在面陣電控液晶微透鏡9中，位于光入射面上的左起上數(shù)橫向第i行、縱向第j列的單元微透鏡，將相應(yīng)的子平面波前匯聚到與其對應(yīng)的子紅外探測器陣列上。匯
聚光斑的光學(xué)質(zhì)心座標(biāo)(Xq，yi P，分別滿足關(guān)系式
權(quán)利要求1.一種混合集成面陣液晶微透鏡與紅外探測器的波前測量芯片，包括陶瓷外殼和金屬散熱板，所述陶瓷外殼后部設(shè)置于所述金屬散熱板頂部，其特征在于，還包括驅(qū)控與波前預(yù)處理模塊、面陣非制冷紅外探測器、以及面陣電控液晶微透鏡； 所述驅(qū)控與波前預(yù)處理模塊、所述面陣非制冷紅外探測器、以及所述面陣電控液晶微透鏡同軸順序設(shè)置于所述陶瓷外殼內(nèi)； 所述驅(qū)控與波前預(yù)處理模塊設(shè)置于所述陶瓷外殼后部與所述金屬散熱板連接處； 所述面陣非制冷紅外探測器設(shè)置于所述驅(qū)控與波前預(yù)處理模塊頂部； 所述面陣電控液晶微透鏡設(shè)置于所述面陣非制冷紅外探測器頂部； 每單元電控液晶微透鏡與多個順序排列的非制冷紅外探測器構(gòu)成的子紅外探測器陣列對應(yīng)，所述各子紅外探測器陣列具有相同的探測器數(shù)量和排布方式，所述子紅外探測器陣列的數(shù)量與所述面陣電控液晶微透鏡的陣列規(guī)模一致； 所述面陣電控液晶微透鏡用于接收目標(biāo)紅外光波，根據(jù)其陣列規(guī)模將所述目標(biāo)紅外光波的波前，離散化成以傾角表征的子平面波前陣列，并將各子平面波前聚焦到相應(yīng)的子紅外探測器陣列上； 所述子紅外探測器陣列用于將所述子平面波前轉(zhuǎn)換為電響應(yīng)信號。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的波前測量芯片，其特征在于， 所述陶瓷外殼的側(cè)面設(shè)置有驅(qū)控信號輸出端口，其與所述探測器驅(qū)控信號輸入端口電連接，用于輸出所述驅(qū)控與波前預(yù)處理模塊提供給所述面陣非制冷紅外探測器的驅(qū)控和調(diào)控信號； 所述陶瓷外殼的側(cè)面設(shè)置有第一指示燈，其與所述驅(qū)控與波前預(yù)處理模塊電連接，用于顯示所述驅(qū)控與波前預(yù) 處理模塊處在正常工作狀態(tài)； 所述陶瓷外殼的側(cè)面設(shè)置有探測器驅(qū)控信號輸入端口，其與所述驅(qū)控信號輸出端口電連接，用于輸入所述面陣非制冷紅外探測器的驅(qū)動和調(diào)控信號； 所述陶瓷外殼的側(cè)面設(shè)置有第二指示燈，其與所述驅(qū)控與波前預(yù)處理模塊電連接，用于顯示所述面陣非制冷紅外探測器處在正常工作狀態(tài)； 所述陶瓷外殼的側(cè)面設(shè)置有微透鏡驅(qū)控信號輸入端口，其與所述驅(qū)控信號輸出端口電連接，用于輸入所述面陣電控液晶微透鏡的驅(qū)動和調(diào)控信號； 所述陶瓷外殼的側(cè)面設(shè)置有第三指示燈，其與所述驅(qū)控與波前預(yù)處理模塊電連接，用于顯示所述面陣電控液晶微透鏡處在正常工作狀態(tài)； 所述陶瓷外殼的側(cè)面設(shè)置有電源端口，用于接入電源線以與外部電源連接； 所述陶瓷外殼的側(cè)面設(shè)置有第七指示燈，其與所述驅(qū)控與波前預(yù)處理模塊電連接，用于顯示電源已接通； 所述陶瓷外殼的側(cè)面設(shè)置有通訊端口，用于與外部電子裝置連接以接收工作指令；所述陶瓷外殼的側(cè)面設(shè)置有第八指示燈，其與所述驅(qū)控與波前預(yù)處理模塊電連接，用于顯示所述通訊端口處在正常工作狀態(tài)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的波前測量芯片，其特征在于， 所述陶瓷外殼的底面設(shè)置有波前測量信號輸出端口，其與所述測量信號輸入端口電連接，用于輸出所述面陣非制冷紅外探測器的光電響應(yīng)信號至驅(qū)控與波前預(yù)處理模塊； 所述陶瓷外殼的底面設(shè)置有第四指示燈，其與所述驅(qū)控與波前預(yù)處理模塊電連接，用于顯示所述面陣非制冷紅外探測器處在正常的信號輸出狀態(tài)； 所述陶瓷外殼的底面設(shè)置有測量信號輸入端口，其與所述波前測量信號輸出端口電連接，用于將所述面陣非制冷紅外探測器的光電響應(yīng)信號引入所述驅(qū)控與波前預(yù)處理模塊；所述陶瓷外殼的底面設(shè)置有第五指示燈，其與所述驅(qū)控與波前預(yù)處理模塊電連接，用于顯示所述驅(qū)控與波前預(yù)處理模塊處在正常的數(shù)據(jù)輸入狀態(tài)； 所述陶瓷外殼的底面設(shè)置有紅外波前數(shù)據(jù)輸出端口，用于輸出所測量的紅外波前數(shù)據(jù)； 所述陶瓷外殼的底面設(shè)置有第六指示燈，其與所述驅(qū)控與波前預(yù)處理模塊電連接，用于顯示所述驅(qū)控與波前預(yù)處理模塊處在正常的數(shù)據(jù)輸出狀態(tài)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的波前測量芯片，其特征在于，所述驅(qū)控與波前預(yù)處理模塊采用SoC和FPGA的結(jié)構(gòu)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的波前測量芯片，其特征在于，所述驅(qū)控與波前預(yù)處理模塊還用于為所述面陣電控液晶微透鏡、以及所述面陣非制冷紅外探測器提供驅(qū)動和調(diào)控信號。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的波前測量芯片，其特征在于，所述面陣電控液晶微透鏡還用于根據(jù)所述調(diào)控信號改變其焦長和通光孔徑，以調(diào)控所述目標(biāo)紅外光波的波前的測量范圍與效能。`
專利摘要本實用新型公開了一種混合集成面陣液晶微透鏡與紅外探測器的波前測量芯片，包括陶瓷外殼和金屬散熱板，陶瓷外殼后部設(shè)置于金屬散熱板頂部，還包括驅(qū)控與波前預(yù)處理模塊、面陣非制冷紅外探測器、以及面陣電控液晶微透鏡，驅(qū)控與波前預(yù)處理模塊、面陣非制冷紅外探測器、以及面陣電控液晶微透鏡同軸順序設(shè)置于陶瓷外殼內(nèi)，驅(qū)控與波前預(yù)處理模塊設(shè)置于陶瓷外殼后部與金屬散熱板連接處，面陣非制冷紅外探測器設(shè)置于驅(qū)控與波前預(yù)處理模塊頂部，每單元電控液晶微透鏡與多個順序排列的非制冷紅外探測器構(gòu)成的子紅外探測器陣列對應(yīng)。本實用新型結(jié)構(gòu)緊湊，使用方便，覆蓋多個紅外譜段，具有紅外波前的測量范圍大、精度高、目標(biāo)與環(huán)境適應(yīng)性好等特點。
文檔編號G01J5/02GK202947797SQ201220434080
公開日2013年5月22日 申請日期2012年8月29日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月29日
發(fā)明者張新宇, 佟慶, 康勝武, 桑紅石, 謝長生 申請人:華中科技大學(xué)