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基本信息
- 項(xiàng)目名稱(chēng)：
- 基于液晶的光強(qiáng)局部選通成像探測(cè)器
- 來(lái)源：
- 第十一屆“挑戰(zhàn)杯”國(guó)賽作品
- 小類(lèi)：
- 數(shù)理
- 大類(lèi)：
- 科技發(fā)明制作A類(lèi)
- 簡(jiǎn)介：
- 基于液晶的電光特性，我們開(kāi)發(fā)研制了一臺(tái)光強(qiáng)局部選通的成像探測(cè)器樣機(jī)，能夠在光強(qiáng)照度大于2.2×10E5lx的強(qiáng)光照射下選通成正常的像，最多可使強(qiáng)光照度下降3個(gè)數(shù)量級(jí)，可提高探測(cè)器的動(dòng)態(tài)范圍2EV以上。原理是基于液晶的電光特性，利用HTPS液晶片和主控FPGA芯片，實(shí)時(shí)自動(dòng)地對(duì)液晶面板上各像素點(diǎn)施加選通電壓，精確控制液晶單像素的透過(guò)率，對(duì)到達(dá)光電轉(zhuǎn)換器件上單像素點(diǎn)的光強(qiáng)精確調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)對(duì)拍攝圖像的光強(qiáng)局部選通。自制探測(cè)器拍攝的實(shí)驗(yàn)照片表明，圖像對(duì)比度得到了緩和，細(xì)節(jié)也得到很好的分辨。作品對(duì)液晶選通成像、照片的寬容度、成像質(zhì)量的調(diào)制傳遞函數(shù)MTF、雙鏡頭的視差等方面進(jìn)行了大量的計(jì)算，對(duì)光強(qiáng)選通的電路及算法的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了理論的正確性及可行性。項(xiàng)目組成員已在國(guó)際著名刊物SPIE上發(fā)表論文5篇，均被國(guó)際著名檢索機(jī)構(gòu)EI收錄；《應(yīng)用光學(xué)》錄用1篇；申請(qǐng)國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利1項(xiàng)；獲批國(guó)家大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目基金1項(xiàng)；完成校創(chuàng)新基金3項(xiàng)；教育部科技查新工作站的查新結(jié)果表明：“除本課題組成員研究的成果外，與本項(xiàng)目創(chuàng)新點(diǎn)完全相同的國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)未見(jiàn)報(bào)道”。北方夜視技術(shù)股份有限公司專(zhuān)門(mén)從事選通技術(shù)研究的劉術(shù)林研究員對(duì)作品進(jìn)行了高度的評(píng)價(jià)。該探測(cè)器可用于軍用夜視、機(jī)載偵察，民用相機(jī)，城市道路監(jiān)控和觀察太陽(yáng)等科研領(lǐng)域。
- 詳細(xì)介紹：
- 基于液晶的電光特性，我們開(kāi)發(fā)研制了一臺(tái)光強(qiáng)局部選通的成像探測(cè)器樣機(jī)，能夠在光強(qiáng)照度大于2.2×10E5lx的強(qiáng)光照射下選通成正常的像，最多可使強(qiáng)光照度下降3個(gè)數(shù)量級(jí)，可提高探測(cè)器的動(dòng)態(tài)范圍4EV以上。原理是基于液晶的電光特性，利用HTPS液晶片和主控FPGA芯片，實(shí)時(shí)自動(dòng)地對(duì)液晶面板上各像素點(diǎn)施加選通電壓，精確控制液晶單像素的透過(guò)率，對(duì)到達(dá)光電轉(zhuǎn)換器件上單像素點(diǎn)的光強(qiáng)精確調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)對(duì)拍攝圖像的光強(qiáng)局部選通。自制探測(cè)器拍攝的實(shí)驗(yàn)照片表明，圖像對(duì)比度得到了緩和，細(xì)節(jié)也得到很好的分辨。 作品對(duì)液晶選通成像、照片的寬容度、成像質(zhì)量的調(diào)制傳遞函數(shù)MTF、雙鏡頭的視差等方面進(jìn)行了大量的計(jì)算，對(duì)光強(qiáng)選通的電路及算法的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了理論的正確性及可行性。 項(xiàng)目組成員已在國(guó)際著名刊物SPIE上發(fā)表論文5篇，均被國(guó)際著名檢索機(jī)構(gòu)EI收錄；《應(yīng)用光學(xué)》錄用1篇；申請(qǐng)國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利1項(xiàng)；獲批國(guó)家大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目基金1項(xiàng)；完成校創(chuàng)新基金3項(xiàng)；教育部科技查新工作站的查新結(jié)果表明：“除本課題組成員研究的成果外，與本項(xiàng)目創(chuàng)新點(diǎn)完全相同的國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)未見(jiàn)報(bào)道”。北方夜視技術(shù)股份有限公司專(zhuān)門(mén)從事選通技術(shù)研究的劉術(shù)林研究員對(duì)作品進(jìn)行了高度的評(píng)價(jià)。 該探測(cè)器可用于軍用夜視、機(jī)載偵察，民用相機(jī)，城市道路監(jiān)控和觀察太陽(yáng)等科研領(lǐng)域。在整個(gè)研究過(guò)程中，我們完成的工作如下: （1）闡述了液晶板自動(dòng)光強(qiáng)控制系統(tǒng)的工作原理，研究了液晶局部選通的理論。為了提高系統(tǒng)的光強(qiáng)實(shí)時(shí)探測(cè)能力，我們選擇了含氟的扭曲向列型HTPS液晶片，它能滿(mǎn)足我們所需液晶粘滯系數(shù)小和響應(yīng)時(shí)間短的要求。 （2）提出雙鏡頭成像局部選通探測(cè)器的整體結(jié)構(gòu)，分析了系統(tǒng)的工作原理，根據(jù)測(cè)光鏡頭、成像鏡頭和液晶的局部選通特性進(jìn)行電路設(shè)計(jì)。 （3）為評(píng)價(jià)其成像質(zhì)量，計(jì)算出該系統(tǒng)中主要光學(xué)子系統(tǒng)和總系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)公式，根據(jù)相關(guān)尺寸擬合出系統(tǒng)的MTF=0.518。 （4）對(duì)基于液晶局部選通成像探測(cè)器的雙鏡頭的視差進(jìn)行了理論計(jì)算，根據(jù)上下兩個(gè)鏡頭單象素點(diǎn)所成像的偏移程度，來(lái)評(píng)估視差對(duì)成像影響的程度，并集合探測(cè)器工作原理，在產(chǎn)生視野偏差的計(jì)算值的基礎(chǔ)上得到一種圖像位移校正算法，通過(guò)圖形變化消除視差帶來(lái)的影響。 （5）給出了對(duì)液晶實(shí)現(xiàn)強(qiáng)光下局部選通的控制電路，并詳細(xì)闡述了該電路系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和控制原理。在強(qiáng)光環(huán)境下，光的整體削弱主要靠HTPS液晶片整體灰度可控的特性來(lái)實(shí)現(xiàn)，而實(shí)現(xiàn)局部選通的控制主要是利用測(cè)光CCD和主控芯片對(duì)液晶不同象素的光透過(guò)率進(jìn)行實(shí)時(shí)控制來(lái)實(shí)現(xiàn)，最終實(shí)驗(yàn)得到了在強(qiáng)光下和高對(duì)比的環(huán)境下正常成像的照片。 （6）實(shí)驗(yàn)得出液晶板的光透過(guò)率在0～255灰度級(jí)內(nèi)的調(diào)節(jié)范圍是1.28%～25.60%，在灰度級(jí)為90- 230的變化范圍內(nèi)，灰度與透過(guò)率呈單調(diào)線(xiàn)性變化關(guān)系。我們對(duì)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間進(jìn)行了討論，同時(shí)得到了經(jīng)過(guò)局部光強(qiáng)選通后得到的圖像效果圖。 （7）為了改善民用數(shù)字照相系統(tǒng)的寬容度，優(yōu)化數(shù)字成像系統(tǒng)的明暗過(guò)渡效果，配合高速DSP處理芯片和優(yōu)化后的圖像算法，我們提出一種新型光電耦合器件，LCCCD（液晶CCD）。
作品圖片
作品專(zhuān)業(yè)信息
設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 設(shè)計(jì)目的：為了能夠在光強(qiáng)照度大于2.2×10E5lx的強(qiáng)光照射下正常成像，提高探測(cè)器的動(dòng)態(tài)范圍，達(dá)到局部光強(qiáng)自動(dòng)選通的目的。 基本思路：在前置光學(xué)系統(tǒng)的成像面處耦合一塊液晶面板（液晶面板與成像CCD之間的耦合由光纖光錐實(shí)現(xiàn)），對(duì)圖像進(jìn)行局部光強(qiáng)的選通，整套液晶光強(qiáng)選通系統(tǒng)加載在雙鏡頭系統(tǒng)中：一個(gè)鏡頭用來(lái)實(shí)時(shí)的視頻圖像信號(hào)的采集，接著把采集到的視頻信號(hào)傳遞給圖像處理單元，圖像處理單元對(duì)圖像進(jìn)行處理找到圖像中的過(guò)曝光點(diǎn)，然后把信息交給液晶驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，在液晶的相應(yīng)像素點(diǎn)施加不同的電壓，調(diào)節(jié)不同區(qū)域的光透過(guò)率，局部光強(qiáng)被削弱，弱光正常通過(guò)，達(dá)到局部選通的效果，緩和圖像的對(duì)比度，擴(kuò)大動(dòng)態(tài)范圍，提高成像質(zhì)量。 創(chuàng)新點(diǎn)：1、在物理層面上解決了局部圖像過(guò)曝的問(wèn)題，提出基于液晶實(shí)現(xiàn)光強(qiáng)局部選通的思想。 2、實(shí)現(xiàn)了將大于2.2×10E5lx的強(qiáng)光局部選通到正常成像照度范圍，并得到了效果較理想的成像圖片。 3、該系統(tǒng)基于雙鏡頭光學(xué)系統(tǒng)，進(jìn)行實(shí)時(shí)局部選通控制。 技術(shù)關(guān)鍵：光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，圖像處理算法的實(shí)現(xiàn)，液晶面板與CCD之間的耦合以及各模塊之間的整合是技術(shù)的關(guān)鍵。 主要技術(shù)指標(biāo)：提高現(xiàn)有光電成像探測(cè)器的動(dòng)態(tài)范圍4EV以上，探測(cè)器在光照強(qiáng)大于2.2×10E5lx照度的強(qiáng)光下可正常成像。
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 國(guó)內(nèi)外在光電成像領(lǐng)域中，對(duì)圖像過(guò)曝問(wèn)題的處理方法有兩種：一種是電學(xué)的光強(qiáng)選通，國(guó)外采取在第四代像增強(qiáng)器的光電陰極上施加脈沖式自動(dòng)選通電壓的方法。而國(guó)內(nèi)在三代管中設(shè)計(jì)了自動(dòng)門(mén)控電源一定程度上提高了像增強(qiáng)器的動(dòng)態(tài)使用范圍；另一種方法是光學(xué)的光強(qiáng)調(diào)制，在光學(xué)系統(tǒng)中采用電子快門(mén)，自動(dòng)光圈、濾頻片或變密度板等方式實(shí)現(xiàn)強(qiáng)光探測(cè)。但這些選通方法都是整體選通，對(duì)某個(gè)區(qū)域過(guò)強(qiáng)的光無(wú)法進(jìn)行局部控制。我們提出控制液晶的各像素的光透過(guò)率來(lái)實(shí)現(xiàn)局部選通成像探測(cè)，同時(shí)擴(kuò)大探測(cè)器的動(dòng)態(tài)范圍?；谝壕У墓鈴?qiáng)選通成像探測(cè)器在物理層面上解決了圖像局部過(guò)曝和民用相機(jī)寬容度狹小的問(wèn)題。利用液晶片1.28~25.6%的透過(guò)率，最大可對(duì)強(qiáng)光做3個(gè)數(shù)量級(jí)的衰減，寬容度上限增加4EV（EV曝光值），從而實(shí)現(xiàn)了光強(qiáng)局部選通的目的。
獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果
- 1 發(fā)表論文7篇（EI檢索5篇，1篇錄用，1篇正審稿） 2 獲批國(guó)家大學(xué)生創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目基金1項(xiàng)（項(xiàng)目編號(hào)081070001） 3 完成校大學(xué)生創(chuàng)新基金 3項(xiàng)（項(xiàng)目編號(hào)分別為87250480、860610、85858858） 4 獲獎(jiǎng)13項(xiàng) [1] 2009年6月關(guān)于《基于液晶的光強(qiáng)局部選通成像探測(cè)器》獲省級(jí)大學(xué)生挑戰(zhàn)杯特等獎(jiǎng)。 [2] 2008年12月《光強(qiáng)選通探測(cè)器的研制》獲校級(jí)科技節(jié)制作類(lèi)特等獎(jiǎng)。 [3] 2008年12月《基于自動(dòng)光強(qiáng)控制的液晶研究》獲獲校級(jí)科技節(jié)論文類(lèi)二等獎(jiǎng) [4] 2008年12月《基于 Cyclone II和 HTPS液晶片的成像局部選通電路設(shè)計(jì)》獲獲校級(jí)科技節(jié)論文類(lèi)二等獎(jiǎng) [5] 2008年11月《光強(qiáng)選通探測(cè)器的研制》獲學(xué)院級(jí)科技展制作類(lèi)特等獎(jiǎng)。 等。
作品所處階段
- 中試階段：雙鏡頭樣機(jī)以及單鏡頭樣機(jī)制作均已完成
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利
作品可展示的形式
- 實(shí)物、圖紙、現(xiàn)場(chǎng)演示、圖片、錄像
使用說(shuō)明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說(shuō)明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)
- 技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)：針對(duì)目前探測(cè)器僅能實(shí)現(xiàn)整體光強(qiáng)選通，我們的液晶光強(qiáng)局部選通成像探測(cè)器能夠?qū)崿F(xiàn)10E5lx的強(qiáng)光照度到正常照度的成像探測(cè)，并且達(dá)到了局部選通的目的。 適用范圍及推廣前景：基于液晶的光強(qiáng)局部選通成像探測(cè)器，可以擴(kuò)展成像器件的寬容度，緩和圖像對(duì)比度，提高成像質(zhì)量，因此在軍用夜視儀、機(jī)載偵查、民用相機(jī)、城市道路監(jiān)控、圖像增強(qiáng)和還原、天文觀測(cè)、行星探測(cè)、以及醫(yī)學(xué)成像檢測(cè)等領(lǐng)域有著很廣泛的應(yīng)用前景。 市場(chǎng)分析及經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)：微光夜視儀器，包括各種微光直視和微光電視系統(tǒng)，目前仍是國(guó)內(nèi)外裝備量最多、生產(chǎn)規(guī)模最大、應(yīng)用范圍最廣的夜視器材。在民用方面，尤其在民用攝影領(lǐng)域，攝影師會(huì)因?yàn)閯?chuàng)意自由度的提高而創(chuàng)作出更優(yōu)秀的作品。將該系統(tǒng)應(yīng)用在民用相機(jī)上，將會(huì)有非常好的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。 本項(xiàng)目已于2009年6月17日與北京紫晶視訊電子技術(shù)有限公司達(dá)成初步合作意向。
同類(lèi)課題研究水平概述
- 目前，許多探測(cè)器要求具有較大的視場(chǎng)適應(yīng)和探測(cè)能力。例如被裝載在運(yùn)動(dòng)的飛行器上的探測(cè)器，在行進(jìn)過(guò)程中可能會(huì)遇到各種光照條件，進(jìn)入CCD的目標(biāo)背景照度變化會(huì)引起目標(biāo)照度的不斷變化，經(jīng)傳輸后在監(jiān)視屏幕上就會(huì)產(chǎn)生背景明暗不均、像質(zhì)差、對(duì)比度低的模糊圖像，其根本原因依賴(lài)于進(jìn)入CCD的光通量，因此對(duì)探測(cè)器光通量的控制顯得非常重要。在戰(zhàn)場(chǎng)上，陸軍士兵或陸戰(zhàn)隊(duì)員經(jīng)常會(huì)快速地在黑暗和明亮區(qū)域間運(yùn)動(dòng)，還會(huì)有各種強(qiáng)閃光和致盲武器，這些要求微光探測(cè)器有較寬的環(huán)境照度適應(yīng)能力，來(lái)應(yīng)對(duì)全天候作戰(zhàn)。因此如何擴(kuò)大器件探測(cè)的動(dòng)態(tài)范圍成為探測(cè)領(lǐng)域里的一個(gè)熱點(diǎn)。 為了滿(mǎn)足探測(cè)器在復(fù)雜多變的環(huán)境條件下正常工作，人們做了很多努力。在微光探測(cè)器領(lǐng)域：目前國(guó)外的第四代像增強(qiáng)器，與之前的幾代管不同，在光電陰極上加入的自動(dòng)通斷電壓是脈沖式的，即電源感知進(jìn)入像管的光量，自動(dòng)高速接通和切斷，光照強(qiáng)時(shí)通斷的頻率低、脈寬窄，光照弱時(shí)正好相反，以便在光照極強(qiáng)時(shí)減少進(jìn)入微通道板的電子流，避免其飽和，于是，使用者始終看到均勻一致的圖像；另外，自動(dòng)門(mén)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(duì)比度良好的高分辨率影像，而不產(chǎn)生模糊的影像，從而擴(kuò)大了微光像增強(qiáng)器的使用動(dòng)態(tài)范圍，但是該技術(shù)的細(xì)節(jié)部分國(guó)外對(duì)我國(guó)實(shí)行封鎖。 我國(guó)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(guó)科學(xué)院西安光機(jī)所的黃林濤等人針對(duì)二代像增強(qiáng)器的缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了自動(dòng)門(mén)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，從一定程度上提高了二代像增強(qiáng)器的動(dòng)態(tài)范圍。以上都是電學(xué)方面的光強(qiáng)選通。其它探測(cè)器領(lǐng)域：為了防止強(qiáng)光，在光學(xué)系統(tǒng)中加了電子快門(mén)，傳統(tǒng)還有自動(dòng)光圈、濾頻片或變密度板等，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(dòng)光強(qiáng)控制來(lái)保護(hù)在強(qiáng)光條件下工作的像增強(qiáng)器。但這些都是整體選通不能對(duì)某個(gè)區(qū)域過(guò)強(qiáng)的光進(jìn)行局部的控制。所以我們課題組針對(duì)探測(cè)器普遍存在的動(dòng)態(tài)范圍小、不能在強(qiáng)光下工作等缺陷，基于液晶的電光特性, 提出在其光學(xué)系統(tǒng)中加液晶板，并對(duì)其每個(gè)像素點(diǎn)的光強(qiáng)透過(guò)率進(jìn)行控制，來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)光強(qiáng)控制局部選通的新功能。
