基本信息
- 項目名稱：
- 基于液晶的光強局部選通成像探測器
- 小類：
- 數(shù)理
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 基于液晶的電光特性，我們開發(fā)研制了一臺光強局部選通的成像探測器樣機，能夠在光強照度大于2.2×10E5lx的強光照射下選通成正常的像，最多可使強光照度下降3個數(shù)量級，可提高探測器的動態(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，實時自動地對液晶面板上各像素點施加選通電壓，精確控制液晶單像素的透過率，對到達光電轉(zhuǎn)換器件上單像素點的光強精確調(diào)節(jié)，實現(xiàn)對拍攝圖像的光強局部選通。自制探測器拍攝的實驗照片表明，圖像對比度得到了緩和，細節(jié)也得到很好的分辨。作品對液晶選通成像、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行了大量的計算，對光強選通的電路及算法的實現(xiàn)進行了研究。實驗結果驗證了理論的正確性及可行性。項目組成員已在國際著名刊物SPIE上發(fā)表論文5篇，均被國際著名檢索機構EI收錄；《應用光學》錄用1篇；申請國家發(fā)明專利1項；獲批國家大學生創(chuàng)新實驗項目基金1項；完成校創(chuàng)新基金3項；教育部科技查新工作站的查新結果表明：“除本課題組成員研究的成果外，與本項目創(chuàng)新點完全相同的國內(nèi)外文獻未見報道”。北方夜視技術股份有限公司專門從事選通技術研究的劉術林研究員對作品進行了高度的評價。該探測器可用于軍用夜視、機載偵察，民用相機，城市道路監(jiān)控和觀察太陽等科研領域。
- 詳細介紹：
- 基于液晶的電光特性，我們開發(fā)研制了一臺光強局部選通的成像探測器樣機，能夠在光強照度大于2.2×10E5lx的強光照射下選通成正常的像，最多可使強光照度下降3個數(shù)量級，可提高探測器的動態(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，實時自動地對液晶面板上各像素點施加選通電壓，精確控制液晶單像素的透過率，對到達光電轉(zhuǎn)換器件上單像素點的光強精確調(diào)節(jié)，實現(xiàn)對拍攝圖像的光強局部選通。自制探測器拍攝的實驗照片表明，圖像對比度得到了緩和，細節(jié)也得到很好的分辨。 作品對液晶選通成像、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行了大量的計算，對光強選通的電路及算法的實現(xiàn)進行了研究。實驗結果驗證了理論的正確性及可行性。 項目組成員已在國際著名刊物SPIE上發(fā)表論文5篇，均被國際著名檢索機構EI收錄；《應用光學》錄用1篇；申請國家發(fā)明專利1項；獲批國家大學生創(chuàng)新實驗項目基金1項；完成校創(chuàng)新基金3項；教育部科技查新工作站的查新結果表明：“除本課題組成員研究的成果外，與本項目創(chuàng)新點完全相同的國內(nèi)外文獻未見報道”。北方夜視技術股份有限公司專門從事選通技術研究的劉術林研究員對作品進行了高度的評價。 該探測器可用于軍用夜視、機載偵察，民用相機，城市道路監(jiān)控和觀察太陽等科研領域。在整個研究過程中，我們完成的工作如下: （1）闡述了液晶板自動光強控制系統(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)的光強實時探測能力，我們選擇了含氟的扭曲向列型HTPS液晶片，它能滿足我們所需液晶粘滯系數(shù)小和響應時間短的要求。 （2）提出雙鏡頭成像局部選通探測器的整體結構，分析了系統(tǒng)的工作原理，根據(jù)測光鏡頭、成像鏡頭和液晶的局部選通特性進行電路設計。 （3）為評價其成像質(zhì)量，計算出該系統(tǒng)中主要光學子系統(tǒng)和總系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)公式，根據(jù)相關尺寸擬合出系統(tǒng)的MTF=0.518。 （4）對基于液晶局部選通成像探測器的雙鏡頭的視差進行了理論計算，根據(jù)上下兩個鏡頭單象素點所成像的偏移程度，來評估視差對成像影響的程度，并集合探測器工作原理，在產(chǎn)生視野偏差的計算值的基礎上得到一種圖像位移校正算法，通過圖形變化消除視差帶來的影響。 （5）給出了對液晶實現(xiàn)強光下局部選通的控制電路，并詳細闡述了該電路系統(tǒng)的結構和控制原理。在強光環(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實現(xiàn)，而實現(xiàn)局部選通的控制主要是利用測光CCD和主控芯片對液晶不同象素的光透過率進行實時控制來實現(xiàn)，最終實驗得到了在強光下和高對比的環(huán)境下正常成像的照片。 （6）實驗得出液晶板的光透過率在0～255灰度級內(nèi)的調(diào)節(jié)范圍是1.28%～25.60%，在灰度級為90- 230的變化范圍內(nèi)，灰度與透過率呈單調(diào)線性變化關系。我們對系統(tǒng)的響應時間進行了討論，同時得到了經(jīng)過局部光強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
作品專業(yè)信息
設計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術關鍵和主要技術指標
- 設計目的：為了能夠在光強照度大于2.2×10E5lx的強光照射下正常成像，提高探測器的動態(tài)范圍，達到局部光強自動選通的目的。 基本思路：在前置光學系統(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現(xiàn)），對圖像進行局部光強的選通，整套液晶光強選通系統(tǒng)加載在雙鏡頭系統(tǒng)中：一個鏡頭用來實時的視頻圖像信號的采集，接著把采集到的視頻信號傳遞給圖像處理單元，圖像處理單元對圖像進行處理找到圖像中的過曝光點，然后把信息交給液晶驅(qū)動系統(tǒng)，在液晶的相應像素點施加不同的電壓，調(diào)節(jié)不同區(qū)域的光透過率，局部光強被削弱，弱光正常通過，達到局部選通的效果，緩和圖像的對比度，擴大動態(tài)范圍，提高成像質(zhì)量。 創(chuàng)新點：1、在物理層面上解決了局部圖像過曝的問題，提出基于液晶實現(xiàn)光強局部選通的思想。 2、實現(xiàn)了將大于2.2×10E5lx的強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)基于雙鏡頭光學系統(tǒng)，進行實時局部選通控制。 技術關鍵：光學系統(tǒng)的設計，圖像處理算法的實現(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的關鍵。 主要技術指標：提高現(xiàn)有光電成像探測器的動態(tài)范圍4EV以上，探測器在光照強大于2.2×10E5lx照度的強光下可正常成像。
科學性、先進性
- 國內(nèi)外在光電成像領域中，對圖像過曝問題的處理方法有兩種：一種是電學的光強選通，國外采取在第四代像增強器的光電陰極上施加脈沖式自動選通電壓的方法。而國內(nèi)在三代管中設計了自動門控電源一定程度上提高了像增強器的動態(tài)使用范圍；另一種方法是光學的光強調(diào)制，在光學系統(tǒng)中采用電子快門，自動光圈、濾頻片或變密度板等方式實現(xiàn)強光探測。但這些選通方法都是整體選通，對某個區(qū)域過強的光無法進行局部控制。我們提出控制液晶的各像素的光透過率來實現(xiàn)局部選通成像探測，同時擴大探測器的動態(tài)范圍。基于液晶的光強選通成像探測器在物理層面上解決了圖像局部過曝和民用相機寬容度狹小的問題。利用液晶片1.28~25.6%的透過率，最大可對強光做3個數(shù)量級的衰減，寬容度上限增加4EV（EV曝光值），從而實現(xiàn)了光強局部選通的目的。
獲獎情況及鑒定結果
- 1 發(fā)表論文7篇（EI檢索5篇，1篇錄用，1篇正審稿） 2 獲批國家大學生創(chuàng)新性實驗項目基金1項（項目編號081070001） 3 完成校大學生創(chuàng)新基金 3項（項目編號分別為87250480、860610、85858858） 4 獲獎13項 [1] 2009年6月關于《基于液晶的光強局部選通成像探測器》獲省級大學生挑戰(zhàn)杯特等獎。 [2] 2008年12月《光強選通探測器的研制》獲校級科技節(jié)制作類特等獎。 [3] 2008年12月《基于自動光強控制的液晶研究》獲獲校級科技節(jié)論文類二等獎 [4] 2008年12月《基于 Cyclone II和 HTPS液晶片的成像局部選通電路設計》獲獲校級科技節(jié)論文類二等獎 [5] 2008年11月《光強選通探測器的研制》獲學院級科技展制作類特等獎。 等。
作品所處階段
- 中試階段：雙鏡頭樣機以及單鏡頭樣機制作均已完成
技術轉(zhuǎn)讓方式
- 國家發(fā)明專利
作品可展示的形式
- 實物、圖紙、現(xiàn)場演示、圖片、錄像
使用說明,技術特點和優(yōu)勢,適應范圍,推廣前景的技術性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預測
- 技術特點和優(yōu)勢：針對目前探測器僅能實現(xiàn)整體光強選通，我們的液晶光強局部選通成像探測器能夠?qū)崿F(xiàn)10E5lx的強光照度到正常照度的成像探測，并且達到了局部選通的目的。 適用范圍及推廣前景：基于液晶的光強局部選通成像探測器，可以擴展成像器件的寬容度，緩和圖像對比度，提高成像質(zhì)量，因此在軍用夜視儀、機載偵查、民用相機、城市道路監(jiān)控、圖像增強和還原、天文觀測、行星探測、以及醫(yī)學成像檢測等領域有著很廣泛的應用前景。 市場分析及經(jīng)濟效益預測：微光夜視儀器，包括各種微光直視和微光電視系統(tǒng)，目前仍是國內(nèi)外裝備量最多、生產(chǎn)規(guī)模最大、應用范圍最廣的夜視器材。在民用方面，尤其在民用攝影領域，攝影師會因為創(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)應用在民用相機上，將會有非常好的經(jīng)濟價值。 本項目已于2009年6月17日與北京紫晶視訊電子技術有限公司達成初步合作意向。
同類課題研究水平概述
- 目前，許多探測器要求具有較大的視場適應和探測能力。例如被裝載在運動的飛行器上的探測器，在行進過程中可能會遇到各種光照條件，進入CCD的目標背景照度變化會引起目標照度的不斷變化，經(jīng)傳輸后在監(jiān)視屏幕上就會產(chǎn)生背景明暗不均、像質(zhì)差、對比度低的模糊圖像，其根本原因依賴于進入CCD的光通量，因此對探測器光通量的控制顯得非常重要。在戰(zhàn)場上，陸軍士兵或陸戰(zhàn)隊員經(jīng)常會快速地在黑暗和明亮區(qū)域間運動，還會有各種強閃光和致盲武器，這些要求微光探測器有較寬的環(huán)境照度適應能力，來應對全天候作戰(zhàn)。因此如何擴大器件探測的動態(tài)范圍成為探測領域里的一個熱點。 為了滿足探測器在復雜多變的環(huán)境條件下正常工作，人們做了很多努力。在微光探測器領域：目前國外的第四代像增強器，與之前的幾代管不同，在光電陰極上加入的自動通斷電壓是脈沖式的，即電源感知進入像管的光量，自動高速接通和切斷，光照強時通斷的頻率低、脈寬窄，光照弱時正好相反，以便在光照極強時減少進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，自動門控作為另一種實現(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，從而擴大了微光像增強器的使用動態(tài)范圍，但是該技術的細節(jié)部分國外對我國實行封鎖。 我國的像增強器經(jīng)歷了一代、二代的發(fā)展，目前三代管也在研制中，中國科學院西安光機所的黃林濤等人針對二代像增強器的缺點，設計了自動門控電源取代直流高壓電源為第二代像增強器供電的方案，從一定程度上提高了二代像增強器的動態(tài)范圍。以上都是電學方面的光強選通。其它探測器領域：為了防止強光，在光學系統(tǒng)中加了電子快門，傳統(tǒng)還有自動光圈、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系統(tǒng)進行自動光強控制來保護在強光條件下工作的像增強器。但這些都是整體選通不能對某個區(qū)域過強的光進行局部的控制。所以我們課題組針對探測器普遍存在的動態(tài)范圍小、不能在強光下工作等缺陷，基于液晶的電光特性, 提出在其光學系統(tǒng)中加液晶板，并對其每個像素點的光強透過率進行控制，來實現(xiàn)自動光強控制局部選通的新功能。
