[发明专利]一种复眼与高像质单眼时序电调成像探测芯片

说明书

技术领域

本发明属于成像探测技术领域，更具体地，涉及一种基于时序电信号控制液晶微光学结构实现复眼成像以及高像质单眼成像的复眼与高像质单眼时序电调成像探测芯片。

背景技术

经过亿万年的自然进化，多种昆虫已获得独特的复眼成像能力，可基于数量巨大的阵列化的小/微型光敏视觉结构进行并行成像探测。在超大视场内敏锐感知、追综或锁定目标，并有效提升时间分辨率。通过可调变的生物光学自聚焦效应，对运动目标执行高效探测、识别及自身航迹选择与优化。尽管基于复眼的成像空间分辨率远低于目前基于高像质单眼的光学成像探测架构，但在近距离目标感知及运动目标观察方面显示出明显优势。迄今为止，人类所发展的科研和商用光学/光电成像系统主要基于获取高图像分辨率的单眼成像模式，具有观察距离相对较远且可调变范围大、空间分辨率高、成图相对清晰、辐射接受能力强等特点。但对快速机动或高超声速运动目标的成像探测能力明显不足，常需匹配电子学或精密机械随动装置以及较为复杂的图像识别、处理和显示算法，设备体积、质量、功耗和成本相对较高，难以有效应对复杂背景环境中的弱小目标以及快速运动或变动目标。综上所述，所呈现的基本特征为：(一)复眼可在宽大视场内成像探测静止/缓变/快速运动目标，但其观察距离有限，表现为近视；(二)基于高像质单眼的光学成像系统在探测远距离目标方面展现优势，但其视场相对有限，快响应并稳定跟踪快速机动甚至高超声速运动目标的能力明显不足。生物复眼和常规高像质单眼的成像探测模态呈现明显的互补性。

迄今为止，国内外均发展了多种基于功能化微光学结构耦合光敏芯片的复眼成像架构，并用于提高光学/光电系统的成像效能。典型进展包括：(一)将曲面轮廓固化的折射或衍射微透镜阵列与光敏阵列耦合或集成，实现基于微透镜阵列划分的单芯片复眼视觉架构及视角与景深极大化；(二)通过拼接复眼图像或视频信息，构成超宽视场探测形态；(三)构造复眼视觉结构与高像质单眼成像结构混合并行的探测体制，构建大视场粗跟踪与小视场高像质精细判读并行；(四)通过机械切换，将置于成像光学系统焦面处的复眼式光敏芯片与高像质单眼式光敏芯片，时序构建成基于复眼的窄视场目标方位判读或飞行轨迹识别，以及基于高像质单眼的视场锁定；(五)通过机械加载或移除置于成像光学系统焦面处的与光敏芯片耦合的微透镜阵列，实现复眼中的窄视场成像与宽视场高像质单眼成像的时序匹配；(六)采用基于电湿形变效应的电控液体微透镜阵列或者基于梯度折射率分布的平面折射或衍射微透镜阵列与面阵光敏结构耦合，构建复眼与高像质单眼的时序电调成像探测架构。总之，寻找可以兼容复眼与高像质单眼的成像探测架构方案，为光学/光电成像设备的小型和高效能化提供有益的设计自由度和解决思路，融合复眼与高像质单眼的成像探测优势，是目前着力构建先进光学/光电成像探测技术的热点，受到广泛关注和重视。

一般而言，基于微纳光学微透镜阵列来匹配耦合面阵光敏器件这一方式，仍受多种技术因素制约，其波束变换能力在短期内难以再有质的突破，主要缺陷有：(一)耦合或集成平面或曲面或可形变轮廓的折/衍射微透镜阵列的复眼，在执行成像探测操作时将无法去除复眼所营造的子成像孔径；(二)耦合或集成电湿液体微透镜阵列的复眼，由于起折光汇聚作用的微液滴一般具有相对较大的形变惯性，难以灵敏响应快速机动目标或高超声速运动目标；(三)耦合或集成基于梯度折射率分布的微透镜阵列的复眼，由于起折光作用的折射率梯度分布形态已固化，同样无法在执行成像探测操作过程中去除复眼所约束的子成像孔径；(四)在成像探测过程中通过加载或移除微透镜阵列，或者切换执行复眼成像的光敏结构与执行高像质单眼成像的光敏芯片，需要配置精密复杂的机械移动/转动装置，从而带来设备体积、成本和性能等诸多内禀性问题。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷，本发明提供了一种复眼与高像质单眼时序电调成像探测芯片，其通过加载时序电控信号建立电控复眼成像探测模态，同时捕获目标的多视角/多视距/多姿态序列图像，通过切断电控信号建立高像质单眼成像探测模态，获得特定距离及方位的目标的高像质平面图像。实现目标成图与观察视角/视距/目标姿态等参量的兼容测量，并且探测效能高，使用方便，易与常规成像光学系统耦合。