基本信息
- 项目名称：
- 基于液晶的光强局部选通成像探测器
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 数理
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 基于液晶的电光特性，我们开发研制了一台光强局部选通的成像探测器样机，能够在光强照度大于2.2×10E5lx的强光照射下选通成正常的像，最多可使强光照度下降3个数量级，可提高探测器的动态范围2EV以上。原理是基于液晶的电光特性，利用HTPS液晶片和主控FPGA芯片，实时自动地对液晶面板上各像素点施加选通电压，精确控制液晶单像素的透过率，对到达光电转换器件上单像素点的光强精确调节，实现对拍摄图像的光强局部选通。自制探测器拍摄的实验照片表明，图像对比度得到了缓和，细节也得到很好的分辨。作品对液晶选通成像、照片的宽容度、成像质量的调制传递函数MTF、双镜头的视差等方面进行了大量的计算，对光强选通的电路及算法的实现进行了研究。实验结果验证了理论的正确性及可行性。项目组成员已在国际著名刊物SPIE上发表论文5篇，均被国际著名检索机构EI收录；《应用光学》录用1篇；申请国家发明专利1项；获批国家大学生创新实验项目基金1项；完成校创新基金3项；教育部科技查新工作站的查新结果表明：“除本课题组成员研究的成果外，与本项目创新点完全相同的国内外文献未见报道”。北方夜视技术股份有限公司专门从事选通技术研究的刘术林研究员对作品进行了高度的评价。该探测器可用于军用夜视、机载侦察，民用相机，城市道路监控和观察太阳等科研领域。
- 详细介绍：
- 基于液晶的电光特性，我们开发研制了一台光强局部选通的成像探测器样机，能够在光强照度大于2.2×10E5lx的强光照射下选通成正常的像，最多可使强光照度下降3个数量级，可提高探测器的动态范围4EV以上。原理是基于液晶的电光特性，利用HTPS液晶片和主控FPGA芯片，实时自动地对液晶面板上各像素点施加选通电压，精确控制液晶单像素的透过率，对到达光电转换器件上单像素点的光强精确调节，实现对拍摄图像的光强局部选通。自制探测器拍摄的实验照片表明，图像对比度得到了缓和，细节也得到很好的分辨。 作品对液晶选通成像、照片的宽容度、成像质量的调制传递函数MTF、双镜头的视差等方面进行了大量的计算，对光强选通的电路及算法的实现进行了研究。实验结果验证了理论的正确性及可行性。 项目组成员已在国际著名刊物SPIE上发表论文5篇，均被国际著名检索机构EI收录；《应用光学》录用1篇；申请国家发明专利1项；获批国家大学生创新实验项目基金1项；完成校创新基金3项；教育部科技查新工作站的查新结果表明：“除本课题组成员研究的成果外，与本项目创新点完全相同的国内外文献未见报道”。北方夜视技术股份有限公司专门从事选通技术研究的刘术林研究员对作品进行了高度的评价。 该探测器可用于军用夜视、机载侦察，民用相机，城市道路监控和观察太阳等科研领域。在整个研究过程中，我们完成的工作如下: （1）阐述了液晶板自动光强控制系统的工作原理，研究了液晶局部选通的理论。为了提高系统的光强实时探测能力，我们选择了含氟的扭曲向列型HTPS液晶片，它能满足我们所需液晶粘滞系数小和响应时间短的要求。 （2）提出双镜头成像局部选通探测器的整体结构，分析了系统的工作原理，根据测光镜头、成像镜头和液晶的局部选通特性进行电路设计。 （3）为评价其成像质量，计算出该系统中主要光学子系统和总系统的调制传递函数公式，根据相关尺寸拟合出系统的MTF=0.518。 （4）对基于液晶局部选通成像探测器的双镜头的视差进行了理论计算，根据上下两个镜头单象素点所成像的偏移程度，来评估视差对成像影响的程度，并集合探测器工作原理，在产生视野偏差的计算值的基础上得到一种图像位移校正算法，通过图形变化消除视差带来的影响。 （5）给出了对液晶实现强光下局部选通的控制电路，并详细阐述了该电路系统的结构和控制原理。在强光环境下，光的整体削弱主要靠HTPS液晶片整体灰度可控的特性来实现，而实现局部选通的控制主要是利用测光CCD和主控芯片对液晶不同象素的光透过率进行实时控制来实现，最终实验得到了在强光下和高对比的环境下正常成像的照片。 （6）实验得出液晶板的光透过率在0～255灰度级内的调节范围是1.28%～25.60%，在灰度级为90- 230的变化范围内，灰度与透过率呈单调线性变化关系。我们对系统的响应时间进行了讨论，同时得到了经过局部光强选通后得到的图像效果图。 （7）为了改善民用数字照相系统的宽容度，优化数字成像系统的明暗过渡效果，配合高速DSP处理芯片和优化后的图像算法，我们提出一种新型光电耦合器件，LCCCD（液晶CCD）。
作品图片
作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 设计目的：为了能够在光强照度大于2.2×10E5lx的强光照射下正常成像，提高探测器的动态范围，达到局部光强自动选通的目的。 基本思路：在前置光学系统的成像面处耦合一块液晶面板（液晶面板与成像CCD之间的耦合由光纤光锥实现），对图像进行局部光强的选通，整套液晶光强选通系统加载在双镜头系统中：一个镜头用来实时的视频图像信号的采集，接着把采集到的视频信号传递给图像处理单元，图像处理单元对图像进行处理找到图像中的过曝光点，然后把信息交给液晶驱动系统，在液晶的相应像素点施加不同的电压，调节不同区域的光透过率，局部光强被削弱，弱光正常通过，达到局部选通的效果，缓和图像的对比度，扩大动态范围，提高成像质量。 创新点：1、在物理层面上解决了局部图像过曝的问题，提出基于液晶实现光强局部选通的思想。 2、实现了将大于2.2×10E5lx的强光局部选通到正常成像照度范围，并得到了效果较理想的成像图片。 3、该系统基于双镜头光学系统，进行实时局部选通控制。 技术关键：光学系统的设计，图像处理算法的实现，液晶面板与CCD之间的耦合以及各模块之间的整合是技术的关键。 主要技术指标：提高现有光电成像探测器的动态范围4EV以上，探测器在光照强大于2.2×10E5lx照度的强光下可正常成像。
科学性、先进性
- 国内外在光电成像领域中，对图像过曝问题的处理方法有两种：一种是电学的光强选通，国外采取在第四代像增强器的光电阴极上施加脉冲式自动选通电压的方法。而国内在三代管中设计了自动门控电源一定程度上提高了像增强器的动态使用范围；另一种方法是光学的光强调制，在光学系统中采用电子快门，自动光圈、滤频片或变密度板等方式实现强光探测。但这些选通方法都是整体选通，对某个区域过强的光无法进行局部控制。我们提出控制液晶的各像素的光透过率来实现局部选通成像探测，同时扩大探测器的动态范围。基于液晶的光强选通成像探测器在物理层面上解决了图像局部过曝和民用相机宽容度狭小的问题。利用液晶片1.28~25.6%的透过率，最大可对强光做3个数量级的衰减，宽容度上限增加4EV（EV曝光值），从而实现了光强局部选通的目的。
获奖情况及鉴定结果
- 1 发表论文7篇（EI检索5篇，1篇录用，1篇正审稿） 2 获批国家大学生创新性实验项目基金1项（项目编号081070001） 3 完成校大学生创新基金 3项（项目编号分别为87250480、860610、85858858） 4 获奖13项 [1] 2009年6月关于《基于液晶的光强局部选通成像探测器》获省级大学生挑战杯特等奖。 [2] 2008年12月《光强选通探测器的研制》获校级科技节制作类特等奖。 [3] 2008年12月《基于自动光强控制的液晶研究》获获校级科技节论文类二等奖 [4] 2008年12月《基于 Cyclone II和 HTPS液晶片的成像局部选通电路设计》获获校级科技节论文类二等奖 [5] 2008年11月《光强选通探测器的研制》获学院级科技展制作类特等奖。 等。
作品所处阶段
- 中试阶段：双镜头样机以及单镜头样机制作均已完成
技术转让方式
- 国家发明专利
作品可展示的形式
- 实物、图纸、现场演示、图片、录像
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 技术特点和优势：针对目前探测器仅能实现整体光强选通，我们的液晶光强局部选通成像探测器能够实现10E5lx的强光照度到正常照度的成像探测，并且达到了局部选通的目的。 适用范围及推广前景：基于液晶的光强局部选通成像探测器，可以扩展成像器件的宽容度，缓和图像对比度，提高成像质量，因此在军用夜视仪、机载侦查、民用相机、城市道路监控、图像增强和还原、天文观测、行星探测、以及医学成像检测等领域有着很广泛的应用前景。 市场分析及经济效益预测：微光夜视仪器，包括各种微光直视和微光电视系统，目前仍是国内外装备量最多、生产规模最大、应用范围最广的夜视器材。在民用方面，尤其在民用摄影领域，摄影师会因为创意自由度的提高而创作出更优秀的作品。将该系统应用在民用相机上，将会有非常好的经济价值。 本项目已于2009年6月17日与北京紫晶视讯电子技术有限公司达成初步合作意向。
同类课题研究水平概述
- 目前，许多探测器要求具有较大的视场适应和探测能力。例如被装载在运动的飞行器上的探测器，在行进过程中可能会遇到各种光照条件，进入CCD的目标背景照度变化会引起目标照度的不断变化，经传输后在监视屏幕上就会产生背景明暗不均、像质差、对比度低的模糊图像，其根本原因依赖于进入CCD的光通量，因此对探测器光通量的控制显得非常重要。在战场上，陆军士兵或陆战队员经常会快速地在黑暗和明亮区域间运动，还会有各种强闪光和致盲武器，这些要求微光探测器有较宽的环境照度适应能力，来应对全天候作战。因此如何扩大器件探测的动态范围成为探测领域里的一个热点。 为了满足探测器在复杂多变的环境条件下正常工作，人们做了很多努力。在微光探测器领域：目前国外的第四代像增强器，与之前的几代管不同，在光电阴极上加入的自动通断电压是脉冲式的，即电源感知进入像管的光量，自动高速接通和切断，光照强时通断的频率低、脉宽窄，光照弱时正好相反，以便在光照极强时减少进入微通道板的电子流，避免其饱和，于是，使用者始终看到均匀一致的图像；另外，自动门控作为另一种实现选通的方法，允许像管在照明区域和白天仍产生对比度良好的高分辨率影像，而不产生模糊的影像，从而扩大了微光像增强器的使用动态范围，但是该技术的细节部分国外对我国实行封锁。 我国的像增强器经历了一代、二代的发展，目前三代管也在研制中，中国科学院西安光机所的黄林涛等人针对二代像增强器的缺点，设计了自动门控电源取代直流高压电源为第二代像增强器供电的方案，从一定程度上提高了二代像增强器的动态范围。以上都是电学方面的光强选通。其它探测器领域：为了防止强光，在光学系统中加了电子快门，传统还有自动光圈、滤频片或变密度板等，西安北方光电公司的孙亚芬等人利用光学系统进行自动光强控制来保护在强光条件下工作的像增强器。但这些都是整体选通不能对某个区域过强的光进行局部的控制。所以我们课题组针对探测器普遍存在的动态范围小、不能在强光下工作等缺陷，基于液晶的电光特性, 提出在其光学系统中加液晶板，并对其每个像素点的光强透过率进行控制，来实现自动光强控制局部选通的新功能。
