[发明专利]一种电调平面与三维光场双模成像探测芯片

说明书

本发明公开了一种电调平面与三维光场双模成像探测芯片。包括电控液晶微光学结构和面阵光敏探测器；在电控液晶微光学结构上加载的信号电压的均方幅值高于某一阈值时，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，在电控液晶微光学结构上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，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。本发明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。

技术领域

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。

发明内容