[發明專利]一種紅外大景深面陣成像探測芯片

有效

• 申請號: 201310426200.9
• 申請日: 2013-09-17
• 公開（公告）號: CN103528692A
• 公開（公告）日: 2014-01-22
• 發明（設計）人: 張新宇;羅俊;康勝武;佟慶;張靜;李利榮;趙慧;桑紅石;謝長生
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: G01J5/10
• 分類號: G01J5/10;G01J5/02
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 朱仁玲

技術領域

本發明屬于紅外成像探測技術領域，更具體地，涉及一種紅外大景深面陣成像探測芯片。

背景技術

進入新世紀以來，紅外焦平面成像探測技術持續快速發展。通過將紅外CCD、CMOS或FPAs等面陣光敏結構置于成像光學系統的焦面處，構成其基本的成像探測架構。一般而言，成像探測物空間中的特定目標，需要根據物距情況確定成像光學系統焦長，即對物空間中與焦長匹配的特定物距處的目標或景物進行對焦操作。該操作意味著成像視場中僅與特定焦長對應的物距處的目標其出射光波，才能經成像光學系統收集后被有效壓縮在焦面處，構成與目標輻射特征相一致或高度接近的能流場，進而通過陣列化光電轉換得到圖像信息。特定物距處的目標或景物，被面陣光敏結構通過成像光學系統進行平面網格狀劃分，單元網格所界定的目標結構出射的紅外波束，則被聚焦在相應的光敏元上。在確定成像系統的空間分辨率，保證聚焦光斑應覆蓋每一光敏元并滿足光敏材料的光電靈敏閾要求這一前提下，聚焦光斑的結構尺寸可作一定程度的改變而不影響光電轉換操作，如由大到小到最小到增大到最大這一典型情形。換言之，面陣光敏結構在成像光學系統焦面處的擺放位置可作一定程度的調整，使成像光學系統呈現一定的焦深。景深則是焦深在物空間的對應表征，即獲得清晰圖像這一前提下，目標能夠在物空間前后移動的最大距離，或單焦長清晰成像的物空間深度。目前，常規成像光學系統的景深極為有限，在景深范圍內獲得清晰的目標和場景圖像時，也將得到與清晰圖像共生的，成像視場中其它位置處的模糊環境圖像。迄今為止，如何增大成像光學系統的景深，一直以來都是成像探測領域的研究熱點，受到了廣泛關注和重視。

在現有技術條件下，與基于特定焦長進行清晰成像的有限焦深對應的景深極為狹窄。成像探測物距不同的多尺度目標時，由于光敏陣列已固置，需利用變焦系統調節焦長。在典型的單幅成像畫面中，除清晰的目標像以及有限景深/焦深所刻畫的局域清晰景物，還有因物距顯著改變所呈現的模糊景象等。通過變焦對物空間中遠近不同的多尺度目標進行成像探測，意味著連帶變更與目標有相同或相近物距的景物。通常情況下，機械變焦其轉換時間長，存在長焦像質降低和視場收縮等缺陷。多焦長并行式的成像架構則存在可配置的焦長數量有限，系統結構復雜，外形尺寸、體積和質量較大，成像設備本身以及運行和維護成本相對較高，圖像匹配復雜等問題。另一方面，一般意義上的電子變焦，僅通過處理圖像數據，基于圖像的形態或灰度變化來顯現變焦特征，其效能有限。迄今為止，基于面陣紅外探測器技術的不斷改進、完善和升級，如何進一步實現單焦長/大景深、大視場/高空間分辨率兼容的成像探測與數字目標圖像構建，已成為先進紅外成像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

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大景深面陣成像探測芯片，可實現較大景深內多尺度目標的清晰成像，測量精度高，目標和環境適應性好，使用方便，易與常規紅外光學系統匹配耦合。

為實現上述目的，本發明提供了一種紅外大景深面陣成像探測芯片，其特征在于，包括面陣紅外折射微透鏡、面陣非制冷紅外探測器和驅控預處理模塊；其中，所述面陣非制冷紅外探測器位于所述面陣紅外折射微透鏡的焦面處，包括多個陣列分布的子面陣非制冷紅外探測器，每個子面陣非制冷紅外探測器包括數量和排布方式相同的多個陣列分布的光敏元；所述面陣紅外折射微透鏡包括多個陣列分布的單元紅外折射微透鏡，每單元紅外折射微透鏡與一個子面陣非制冷紅外探測器對應；所述面陣紅外折射微透鏡用于將目標的紅外匯聚光波再聚焦，使來自物空間不同物距處多尺度目標的紅外匯聚光波離散化排布，并聚焦在多個子面陣非制冷紅外探測器上，使來自物空間的某一目標的紅外匯聚光波定向聚焦在多個子面陣非制冷紅外探測器相同位置的光敏元上；所述面陣非制冷紅外探測器用于將匯聚在多個子面陣非制冷紅外探測器上的光波轉換成電信號，得到來自物空間不同物距處多尺度目標各自對應的陣列化的紅外光電響應信號；所述驅控預處理模塊用于將陣列化的紅外光電響應信號量化，并進行非均勻性校正，生成不同物距處多尺度目標的紅外圖像數據。

優選地，所述子面陣非制冷紅外探測器為m×n元，其中，m、n均為大于1的整數。

優選地，所述驅控預處理模塊采用SoC與FPGA結合的結構。

優選地，所述驅控預處理模塊還用于為所述面陣非制冷紅外探測器提供驅動和調控信號，驅動所述面陣非制冷紅外探測器工作，并對所述面陣非制冷紅外探測器轉換的電信號進行調控。