專利名稱：一種基于液晶板自動控制光強(qiáng)實(shí)現(xiàn)局部選通的探測器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微光成像探測技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于液晶板自動控制光強(qiáng) 實(shí)現(xiàn)局部選通的探測器。
背景技術(shù)：
目前，許多探測器要求具有較大的視場適應(yīng)和探測能力。例如，裝載于
飛行器的探測器，工作過程中會遇到各種光照條件，進(jìn)入CCD(charge couple device)的背景照度不斷變化，目標(biāo)照度隨之而變，導(dǎo)致監(jiān)視屏幕產(chǎn)生背景 明暗不均、像質(zhì)差、對比度低的模糊圖像，嚴(yán)重影響使用者的視覺效果。隨 著科技的發(fā)展，要求探測器在復(fù)雜多變的環(huán)境條件下，具有較寬的環(huán)境照度 和大范圍動態(tài)探測的能力。對探測器的性能要求取決于進(jìn)入CCD的光通量， 因此，探測器光通量的控制顯得非常重要。
微光探測領(lǐng)域中，國外現(xiàn)有的第四代像增強(qiáng)器，在光電陰極上施加脈沖 式自動通斷電壓，即電源感知進(jìn)入像管的光量，自動高速接通和切斷電源， 光照強(qiáng)時通斷的頻率低、脈寬窄，光照弱時正好相反，使得光照極強(qiáng)時減少 進(jìn)入微通道板的電子流，避免其飽和，產(chǎn)生的圖像始終均勻一致；另外，自 動門控作為另一種實(shí)現(xiàn)選通的方法，允許像管在照明區(qū)域和白天仍產(chǎn)生對比 度良好的高分辨率影像，而不產(chǎn)生模糊的影像，擴(kuò)大了微光像增強(qiáng)器的動態(tài) 使用范圍，但是該技術(shù)的細(xì)節(jié)外國對我國實(shí)行封鎖。我國的像增強(qiáng)器經(jīng)歷了 一代、二代的發(fā)展，目前三代管也在研制中，中國科學(xué)院西安光機(jī)所的黃林
濤等人針對二代像增強(qiáng)器的缺點(diǎn)，設(shè)計了自動門控電源取代直流高壓電源為 第二代像增強(qiáng)器供電的方案， 一定程度上提高了二代像增強(qiáng)器的動態(tài)使用范 圍。上述探測器都是通過電學(xué)進(jìn)行光強(qiáng)選通。
為實(shí)現(xiàn)強(qiáng)光探測，也有在光學(xué)系統(tǒng)中加入電子快門的探測器，傳統(tǒng)的選 通還有自動光圈、濾頻片或變密度板等方式，如西安北方光電公司的孫亞芬 等人利用光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行自動光強(qiáng)控制來保護(hù)強(qiáng)光條件下工作的像增強(qiáng)器，但 這些探測器為整體選通，對某個區(qū)域過強(qiáng)的光無法進(jìn)行局部控制，動態(tài)使用 范圍較小，不能在強(qiáng)光下工作。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種基于液晶板自動控制光強(qiáng)實(shí)現(xiàn)局部選通的 探測器，實(shí)現(xiàn)對光強(qiáng)的自動控制局部選通，具有較大的動態(tài)使用范圍，可在 強(qiáng)光下工作。
、本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是， 一種基于液晶板自動控制光強(qiáng)實(shí)現(xiàn)局部選 通的探測器，包括探測器殼體，該探測器殼體內(nèi)，分成上下兩部分，上部分
依次包括測光CCD系統(tǒng)、視頻采集模塊、現(xiàn)場可編程門陣列、液晶驅(qū)動模 塊、電源和顯示屏，下部分依次包括液晶板、像增強(qiáng)器、光纖光錐和CCD， 與測光CCD系統(tǒng)相接的一端在探測器殼體的外部設(shè)置有鏡頭，與液晶板相 接的一端在探測器殼體外部設(shè)置有鏡頭B，鏡頭A和鏡頭B并排設(shè)置。 本發(fā)明的特征還在于，
液晶板安裝于像增強(qiáng)器前的光學(xué)系統(tǒng)中，耦合于測光CCD系統(tǒng)的光陰 極前，并位于光學(xué)系統(tǒng)的焦平面。
液晶板選用高溫多晶硅薄膜晶體管液晶顯示板。
本發(fā)明探測器的有益效果是，
1. 采用液晶板對目標(biāo)景物的光強(qiáng)進(jìn)行局部透光控制，在強(qiáng)光條件下保護(hù) 光陰極及微通道板，同時，保證器件正常工作，構(gòu)成一種更有實(shí)用價值的微 .光成像探測器。
2. 可根據(jù)要求適當(dāng)調(diào)節(jié)液晶板的電壓與透過率的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)微光探測器
能在1()Slx照度環(huán)境下正常工作。
3.單個像素點(diǎn)可以獨(dú)立控制，實(shí)現(xiàn)局部光強(qiáng)選通。


圖1是本發(fā)明探測器的結(jié)構(gòu)示意圖2是本發(fā)明探測器中液晶板的結(jié)構(gòu)示意圖，其中.，a是未加電壓的液 晶狀態(tài)，b是施加電壓后的狀態(tài)，
圖3是本發(fā)明探測器中液晶板單像素的結(jié)構(gòu)示意圖4是本發(fā)明探測器中液晶板的透過率與輸入信號電壓的關(guān)系曲線圖5是本發(fā)明探測器中液晶板的工作原理圖。
圖中，l.鏡頭A， 2.測光CCD系統(tǒng)，3.視頻采集模塊，4.現(xiàn)場可編程門 陣列，5.液晶驅(qū)動模塊，6.電源，7.顯示屏，8.功能按鈕，9.CCD， IO.光纖光 錐，ll.像增強(qiáng)器，12.液晶板，13.鏡頭B， 14.透明電極，15.控制線，16.薄 膜式電晶體，17.信號線，18.檢偏器，19.玻璃基板，20.透明電極，21.取向膜， 22.液晶，23.起偏器，24.探測器殼體，25.隔板，26.空腔A， 27.空腔B。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。 本發(fā)明探測器的結(jié)構(gòu)，如圖l所示。包括中空的探測器殼體24，探測器
殼體24內(nèi)部通過隔板25分為空腔A26和空腔B27，探測器殼體24的一端 并排設(shè)置有分別與空腔A26和空腔B27相對應(yīng)的鏡頭Al和鏡頭B2，探測 器殼體的另一端與鏡頭Al和鏡頭B2對應(yīng)分別設(shè)置有顯示屏7和CCD9?？?腔A26內(nèi)、鏡頭A 1到顯示屏7之間依次設(shè)置有測光CCD系統(tǒng)2、視頻采 集模塊3、現(xiàn)場可編程門陣列4、液晶驅(qū)動模塊5和電源6。空腔B27內(nèi)、 由鏡頭B13到CCD9之間依次設(shè)置有液晶板12、像增強(qiáng)器11和光纖光錐10。 本發(fā)明探測器中液晶板的結(jié)構(gòu)，如圖2a、 2b所示。包括自上而下依次 設(shè)置的檢偏器18、玻璃基板19、透明電極20、取向膜21和液晶22，液晶 22的下面、由上而下還依次設(shè)置有取向膜21、透明電極20、玻璃基板19 和起偏器23。
本發(fā)明探測器中液晶板單像素的結(jié)構(gòu)，如圖3所示。在玻璃基板19的 表面設(shè)置有方形的透明電極14，透明電極14的表面設(shè)置有一方形薄膜式電 晶體16，薄膜式電晶體16的一邊與透明電極14的一邊對齊，透明電極14 與薄膜式電晶體16對齊的一邊外側(cè)設(shè)置有與該邊平行的信號線17，透明電 極14的外側(cè)還設(shè)置有控制線15，控制線15與信號線17垂直相交。
本發(fā)明探測器中的液晶板12選用高溫多晶硅薄膜晶體管液晶顯示板HT PS TFT-LCD。該液晶顯示板為有源矩陣驅(qū)動方式的透過型LCD，具有小型、 高精細(xì)、高對比度、驅(qū)動器可內(nèi)置等特點(diǎn)。外形尺寸3.3 cm (對角線)，內(nèi) 置源矩陣驅(qū)動電路，逐點(diǎn)尋址，點(diǎn)陣數(shù)1024 (H) x768 (V) =786,432;其 內(nèi)部的液晶22采用扭曲向列型液晶材料制作，內(nèi)置無串?dāng)_電路和無鬼線電 路，提高顯示質(zhì)量，在光波長630nm時，透過率為30%。高溫多晶硅薄膜 晶體管液晶顯示板具有快速響應(yīng)的特性，適合光學(xué)信息處理，其透過率與輸 入信號電壓的關(guān)系曲線，如圖4所示，輸入信號電壓為1024x768的8位位
圖，即灰度為28=256階的灰度圖，不加電壓時，顯示圖像為255灰度，施 加到單像素的電壓與輸入圖像的灰度值成非線性關(guān)系。
高溫多晶硅薄膜晶體管液晶顯示板由多個像素組成，每個像素都包含信 號線17、控制線15、薄膜式電晶體16和透明電極14，透明電極14包含有 以特定方式排列的液晶分子，液晶分子在不同電壓下的排列方式發(fā)生變化， 據(jù)此，可以改變透過液晶板像素的光線的振動方向，結(jié)合偏振板實(shí)現(xiàn)圖像從 全黑到全白狀態(tài)下不同灰階的過渡，實(shí)現(xiàn)探測器的自動光強(qiáng)控制，使得CCD9 上的圖像處理系統(tǒng)能控制液晶的透過率，并不影響微光像增強(qiáng)器的成像質(zhì) 量，同時不損害增強(qiáng)器。
在現(xiàn)有像增強(qiáng)器前的光學(xué)系統(tǒng)中應(yīng)用液晶板12，將其耦合于測光CCD 系統(tǒng)2的光陰極前，并位于光學(xué)系統(tǒng)的焦平面；液晶板12的像素點(diǎn)與測光 CCD系統(tǒng)2的像素點(diǎn)一一對應(yīng)。液晶板12的工作原理，如圖5所示。利用 液晶板12的圖像灰度控制原理，將測光CCD系統(tǒng)2獲取的圖像信息，經(jīng)過 視頻采集模塊3進(jìn)行濾頻和采集，轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號，該數(shù)字信號經(jīng)現(xiàn)場可編 程門陣列4處理得到的視頻信號和經(jīng)液晶驅(qū)動模塊5發(fā)出的脈沖控制信號同 時輸入液晶板12，控制液晶板12上相應(yīng)像素的光強(qiáng)透過率，在像增強(qiáng)器ll 形成清晰的圖像。
本發(fā)明探測器中主要部件的工作原理
1. TFT-LCD液晶板
液晶板12對光強(qiáng)的控制，是利用液晶22的扭曲向列效應(yīng)和場致指向矢 重新排列效應(yīng)。將液晶22置于兩塊玻璃基板19之間，兩塊玻璃基板19之 間沒有施加電壓時，液晶分子指向矢由下而上均勻扭轉(zhuǎn)90。，如圖2a所示， 入射自然光經(jīng)過起偏器23后，形成振動面與入射面液晶指向矢方向平行的
線偏振光。由于液晶分子的雙折射效應(yīng)，入射線偏振光透過扭曲液晶層時， 偏振態(tài)發(fā)生變化。選擇合適的液晶層厚度可使出射光保持為線偏振光，但振
動面隨液晶分子的扭曲也偏轉(zhuǎn)90°，與出射偏振器的通光方向一致，此時透 射光強(qiáng)最大。液晶分子受電場力作用時，其空間排列狀態(tài)發(fā)生改變，沿z軸 方向電場的作用下，液晶分子的長軸方向產(chǎn)生感應(yīng)偶極矩，使分子排列開始 沿z軸方向轉(zhuǎn)動，扭曲螺旋結(jié)構(gòu)開始破壞。
液晶的雙折射規(guī)律，可用下式表示
1 cos2 P sin2 ^ ,，、
式中，折射率&(。是指向矢傾斜角e的函數(shù)， 是尋常光(O光)的折 射率， 是非常光(e光)的折射率。
由(1)式可知，折射率差A(yù)"^。-"e(。也是傾斜角^的函數(shù)。施加于液
晶板12像素的電壓發(fā)生變化，就會改變向矢傾斜角e的值，Aw隨之而變，
導(dǎo)致出射光的偏振態(tài)發(fā)生變化，使透過出射偏振器的光變?nèi)酢．?dāng)電壓增強(qiáng)，
致使液晶指向矢完全偏轉(zhuǎn)，與電場方向一致時，如圖2b所示，入射光的偏 振態(tài)不受液晶層的影響，出射光完全被輸出偏振器截止，，透射光強(qiáng)最小。因 此，通過控制施加于液晶板12每個像素的電壓，可改變液晶板12的透過率， 實(shí)現(xiàn)對光強(qiáng)的控制。 2.光強(qiáng)控制
現(xiàn)場可編程門陣列4按要求對亮度信號進(jìn)行處理，并對液晶板12進(jìn)行 控制，主要是對亮度信號進(jìn)行處理。現(xiàn)場可編程門陣列4采用灰度變換法對 亮度信號進(jìn)行處理。灰度變化法有線性灰度變換、分段線性灰度變換、根號 灰度變換、灰度均衡變換、對數(shù)灰度變換、常規(guī)灰度變換等。本發(fā)明現(xiàn)場可 編程門陣列2采用分段灰度變換，將圖像的灰度函數(shù)/(x，力變換為一個新的 圖像函數(shù)g(x,"，即g(x,y卜r[/(x，力]，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為<formula>formula see original document page 9</formula>
式中M為圖像最大灰度值，a、 6、 C、 d都是系數(shù)。通過調(diào)節(jié)拐點(diǎn)的位 置及分段直線的斜率，即可實(shí)現(xiàn)對任意灰度區(qū)間的擴(kuò)展和壓縮。 3.TFT液晶盒的透過率
本發(fā)明探測器，將液晶板12的透過率與光強(qiáng)控制相結(jié)合，利用電壓改 變液晶22的折射率，導(dǎo)致液晶板12的透過率改變，使得微光像增強(qiáng)器在l 0Slx照度強(qiáng)光的照射下，不僅能正常工作，還能清晰成像。
偏振光入射至扭曲向列液晶，光的偏振態(tài)隨液晶分子的扭曲而發(fā)生改 變。由于液晶具有改變?nèi)肷涔馄駪B(tài)的能力，將光照射到液晶板，通過液晶 板中的液晶，達(dá)到改變?nèi)肷涔庀辔灰约叭肷涔夤鈴?qiáng)的目的。將檢偏器設(shè)置于
液晶板后面，則光經(jīng)過檢偏器后，.其透射率r滿足關(guān)系
式中，光程差么=^( -"。p， d為液晶厚度，人為真空中的光波長。
(3)式中，當(dāng)A《;r時，透射率T接近1，液晶透光達(dá)到最大。當(dāng)A》;r
時，透射率r接近零，相當(dāng)于液晶不透光。選擇合理的液晶厚度和雙折射材
料，使A》;r，即可實(shí)現(xiàn)液晶不透光，此為扭曲向列液晶的扭曲特性。同理，
如果輸入的偏振光偏振方向沿y軸，則通過液晶后，光的偏振方向沿x軸，
偏振光的偏振態(tài)隨液晶指向矢的轉(zhuǎn)動而轉(zhuǎn)動。
垂直入射光通過液晶盒后，產(chǎn)生的非常光"光)和尋常光(o光)之
間的相位差可以由以下公式得到:
<formula>formula see original document page 10</formula> (4)
式中， (<9)由(1)式得到
<formula>formula see original document page 10</formula> (5)
液晶指向矢與z軸，即電壓方向之間的角度^的大小與液晶兩端所加電 壓有關(guān)，電控雙折射產(chǎn)生的相位與液晶兩端施加的電壓有關(guān)，即電壓與透過 率有關(guān)。
本發(fā)明探測器的工作原理
探測器包括鏡頭Al和鏡頭B13，鏡頭Al對應(yīng)的光路中設(shè)置的測光CC D系統(tǒng)2實(shí)時檢測進(jìn)入系統(tǒng)的光照度，并使測光CCD系統(tǒng)2的像素值與液 晶板12的像素值相吻合且保持一一對應(yīng)，將測光CCD系統(tǒng)2的采集的視頻 信號輸入視頻采集模塊3，'經(jīng)視頻采集模塊3解碼、采樣轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號， 該數(shù)字信號輸入現(xiàn)場可編程門陣列4，現(xiàn)場可編程門陣列4將數(shù)字信號轉(zhuǎn)變 為亮度信號，該亮度信號根據(jù)預(yù)先設(shè)置的閾值進(jìn)行控制和調(diào)整。高照度光強(qiáng) 進(jìn)入探測系統(tǒng)時，按經(jīng)驗(yàn)函數(shù)關(guān)系將其亮度降低至探測器的閾值范圍內(nèi)，同 時也可對相對暗的部分進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚怼，F(xiàn)場可編程門陣列4將亮度信號輸 送至液晶板12，其輸出的亮度信號分為行、場兩個同步信號以及送至驅(qū)動電 路的輸入端R、 G和B的三路分離的視頻信號，完成對TFT-LCD液晶板12
的驅(qū)動和控制，通過其單像素的透過率進(jìn)行局部選通。
本發(fā)明探測器，通過測光CCD系統(tǒng)2獲取的圖像信息轉(zhuǎn)換的電壓信號，. 對液晶板12的各個像素點(diǎn)的光強(qiáng)透過率進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)光強(qiáng)自動控制局部 選通，使得成像系統(tǒng)在105lx高光強(qiáng)照度下，能正常工作和清晰成像，擴(kuò)大 探測器的動態(tài)范圍，適應(yīng)全天侯工作的要求。
權(quán)利要求
1.一種基于液晶板自動控制光強(qiáng)實(shí)現(xiàn)局部選通的探測器，其特征在于，包括探測器殼體(24)，該探測器殼體(24)內(nèi)，分成上下兩部分，上部分依次包括測光CCD系統(tǒng)(2)、視頻采集模塊(3)、現(xiàn)場可編程門陣列(4)、液晶驅(qū)動模塊(5)、電源(6)和顯示屏(7)，下部分依次包括液晶板(12)、像增強(qiáng)器(11)、光纖光錐(10)和CCD(9)，與測光CCD系統(tǒng)(2)相接的一端在探測器殼體(24)的外部設(shè)置有鏡頭，與液晶板(12)相接的一端在探測器殼體(24)外部設(shè)置有鏡頭B(13)，所述的鏡頭A(1)和鏡頭B(13)并排設(shè)置。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的探測器，其特征在于，所述的液晶板(12)安 裝于像增強(qiáng)器(11)前的光學(xué)系統(tǒng)中，耦合于測光CCD系統(tǒng)(2)的光陰極 前，并位于光學(xué)系統(tǒng)的焦平面。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的探測器，其特征在于，所述的液晶板(12) 選用高溫多晶硅薄膜晶體管液晶顯示板。
全文摘要
本發(fā)明公開的一種基于液晶板自動控制光強(qiáng)實(shí)現(xiàn)局部選通的探測器，包括探測器殼體，該探測器殼體內(nèi)，分成上下兩部分，上部分依次包括測光CCD系統(tǒng)、視頻采集模塊、現(xiàn)場可編程門陣列、液晶驅(qū)動模塊、電源和顯示屏，下部分依次包括液晶板、像增強(qiáng)器、光纖光錐和CCD，與測光CCD 系統(tǒng)相接的一端在探測器殼體的外部設(shè)置有鏡頭，與液晶板相接的一端在探測器殼體外部設(shè)置有鏡頭B，鏡頭A和鏡頭B并排設(shè)置。本發(fā)明探測器根據(jù)獲取的圖像信息轉(zhuǎn)換的電壓信號，對液晶板的各個像素點(diǎn)的光強(qiáng)透過率進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)光強(qiáng)自動控制局部選通，使得成像系統(tǒng)在10⁵lx高光強(qiáng)照度下，能正常工作和清晰成像，擴(kuò)大探測器的動態(tài)范圍，適應(yīng)全天候工作的要求。
文檔編號G02F1/1362GK101368846SQ200810151198
公開日2009年2月18日 申請日期2008年9月28日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月28日
發(fā)明者鍇 劉, 娜 葉, 唐遠(yuǎn)河, 張瑞霞, 卿 李, 楊旭三, 元 梁, 趙高翔, 郜海陽 申請人:西安理工大學(xué)