一种基于液晶的单镜头局部选通成像探测器.pdf

一种基于液晶的单镜头局部选通成像探测器，包括由卡口、翻盖、风扇和显示屏构成的中空壳体，壳体外卡口的一端安装有镜头，壳体内、底座上表面固接有支架，支架上、沿镜头到显示屏的方向依次设置有HTPS液晶片、光纤光锥、CCD感光元件和CCD板机，HTPS液晶片、光纤光锥和CCD感光元件同轴设置，支架与显示屏之间、沿镜头到显示屏的方向依次设置有电源模块、图像处理模块和液晶驱动模块，液晶驱动模块通过HTPS液晶片信号线与HTPS液晶片相连接。本探测器不仅实现了光强的自动控制局部选通，在105lx高光强照度下能够清晰成像，而且避免了视差和像差的影响，使产生的图像不畸变失真，并具有结构简单、效率较高的特点。

1.  一种基于液晶的单镜头局部选通成像探测器，其特征在于，包括底座(16)，底座(16)的一端固接有卡口(17)，卡口(17)的上表面设置有翻盖(2)，底座(16)的另一端固接有显示屏(9)，显示屏(9)的上表面固接有风扇(8)，底座(16)、卡口(17)、翻盖(2)、风扇(8)和显示屏(9)构成一个中空的壳体，该壳体外、卡口(17)的一端安装有镜头(1)，该壳体内、底座(16)的上表面固接有支架(15)，支架(15)上、沿镜头(1)到显示屏(9)的方向依次设置有HTPS液晶片(3)、光纤光锥(14)、CCD感光元件(5)和CCD板机(13)，HTPS液晶片(3)、光纤光锥(14)和CCD感光元件(5)同轴设置，支架(15)与显示屏(9)之间、沿镜头(1)到显示屏(9)的方向依次设置有电源模块(6)、图像处理模块(11)和液晶驱动模块(7)，液晶驱动模块(7)通过HTPS液晶片信号线(4)与HTPS液晶片(3)相连接。

2.  根据权利要求1所述的探测器，其特征在于，所述的HTPS液晶片(3)选用高温多晶硅薄膜晶体管液晶显示片HTPS TFT-LCD，该液晶显示片通过光纤光锥(14)与CCD感光元件(5)耦合成一个整体。

3.  根据权利要求1所述的探测器，其特征在于，图像处理模块(11)的结构包括：图像处理计算单元(21)分别与VGA显示器(22)、VGA编码器(23)、片上存储器(24)和Avalon总线(20)相连接，片上存储器(24)至少为两个，Avalon总线(20)通过视频解码器(25)与CCD板机(13)相连接，VGA显示器(22)与VGA编码器(23)相连接。

4.  根据权利要求3所述的探测器，其特征在于，所述的图像处理计算单元(21)采用Cyclone II EP2C20F484C7芯片。

5.  根据权利要求3所述的探测器，其特征在于，所述的视频解码器(25)采用ADV7187视频解码芯片。

一种基于液晶的单镜头局部选通成像探测器
技术领域
本发明属于光电子探测技术领域，涉及一种局部选通成像探测器，具体涉及一种基于液晶的单镜头局部选通成像探测器。
背景技术
目前，大多数探测器都要求能够在复杂多变的环境条件下，具有较大的动态探测范围和较宽的环境照度适应能力。例如，军用微光夜视仪，在工作过程中会遇到各种复杂的光照条件，进入感光元件CCD(charge coupledevice)的光通量不断发生变化，当目标或背景照度超过探测器的阈值时，荧光屏就无法分辨出探测物体的图像细节，严重影响到使用者的视觉观察效果。探测器的探测范围和成像能力都与进入CCD的光通量有密切的关系，因此，CCD光通量的合理控制是提高探测范围和成像质量的有效手段。
为了提高探测器的探测上限，实现强光选通探测，通常采用在探测器中加入光圈、滤频片或变密度板等光学器件对光通量进行削弱。近几年，也有在光学系统中加入电子快门的探测器，如利用选通电源通过脉冲调制进行自动光强控制来保护强光条件下工作的像增强器。上述这些探测器均为整体选通控制，对某个局部区域过强的光无法进行控制。
专利申请《一种基于液晶板自动控制光强实现局部选通的探测器》(申请号200810151198.8，公开日2009.02.18，公开号101368846A)，公开了一种实现局部选通的探测器，对液晶板各像素点的光强透过率进行控制，实现光强自动控制局部选通，使得成像系统在10⁵lx高光强照度下，能正常工作和清晰成像，扩大了探测器的动态使用范围，但该探测器采用双镜头，在探测成像过程中由于视差和像差的影响，造成图像畸变失真，而且结构复杂，效率较低。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于液晶的单镜头局部选通成像探测器，不仅实现了光强的自动控制局部选通，在10⁵lx高光强照度下清晰成像，而且避免了视差和像差的影响，产生不畸变失真的图像，同时，具有结构简单、效率较高的特点。
本发明所采用的技术方案，一种基于液晶的单镜头局部选通成像探测器，包括底座，底座的一端固接有卡口，卡口的上表面设置有翻盖，底座的另一端固接有显示屏，显示屏的上表面固接有风扇，底座、卡口、翻盖、风扇和显示屏构成一个中空的壳体，该壳体外、卡口的一端安装有镜头，该壳体内、底座的上表面固接有支架，支架上、沿镜头到显示屏的方向依次设置有HTPS液晶片、光纤光锥、CCD感光元件和CCD板机，HTPS液晶片、光纤光锥和CCD感光元件同轴设置，支架与显示屏之间、沿镜头到显示屏的方向依次设置有电源模块、图像处理模块和液晶驱动模块，液晶驱动模块通过HTPS液晶片信号线与HTPS液晶片相连接。
本发明的特征还在于，
HTPS液晶片选用高温多晶硅薄膜晶体管液晶显示片HTPS TFT-LCD，该液晶显示片通过光纤光锥与CCD感光元件耦合成一个整体。
图像处理模块的结构包括：图像处理计算单元分别与VGA显示器、VGA编码器、片上存储器和Avalon总线相连接，片上存储器至少为两个，Avalon总线通过视频解码器与CCD板机相连接，VGA显示器与VGA编码器相连接。
图像处理计算单元采用Cyclone II EP2C20F484C7芯片。
视频解码器采用ADV7187视频解码芯片。
本发明成像探测器具有如下优点：
1.采用HTPS液晶片对目标景物的光强进行局部透光控制，在强光条件下保护了感光器件及显示屏，构成一种更有实用价值的成像探测器。
2.单镜头系统结构有效地解决了双镜头以及其他成像系统由于视差和像差所带来的图像畸变，并把CCD感光元件作为实时取景单元，使得成像探测器轻便、高效和小型化。
3.光锥耦合的方式大大提高了有效光的利用率，并且满足了单镜头成系统对成像和感光器件之间像素逐点一一对应的苛刻要求。
附图说明
图1是本发明探测器一种实施例的结构示意图；
图2是本发明探测器中液晶板的透过率与灰度色阶的关系曲线图；
图3是本发明探测器中控制电路的动作流程图；
图4是本发明探测器中图像处理模块的结构示意图；
图5是本发明图像处理模块拟合的图像处理曲线图；
图6是本发明探测器中液晶驱动模块的设计原理图。
图中，1.镜头，2.翻盖，3.HTPS液晶片，4.HTPS液晶片信号线，5.CCD感光元件，6.电源模块，7.液晶驱动模块，8.风扇，9.显示屏，10.显示屏信号线，11.图像处理模块，12.电路板信号线，13.CCD板机，14.光纤光锥，15.支架，16.底座，17.卡口，18.螺钉，19.铁丝，20.Avalon总线，21.图像处理计算单元，22.VGA显示器，23.VGA编码器，24.片上存储器，25.视频解码器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明成像探测器的结构，如图1所示，包括底座16，底座16的一端、其上表面固接有竖直设置的卡口17，卡口17的上表面设置有翻盖2，底座16、卡口17和翻盖2均采用黑色有机玻璃制成，底座16的另一端固接有显示屏9，显示屏9的上表面固接有风扇8，底座16、卡口17、翻盖2、风扇8和显示屏9构成一个中空的壳体。该壳体外、卡口17的一端安装有镜头1，该壳体内、底座16的上表面固接有支架15，支架15上、沿镜头1到显示屏9的方向依次设置有HTPS液晶片3、光纤光锥14、CCD感光元件5和CCD板机13，HTPS液晶片3、光纤光锥14和CCD感光元件5同轴设置，光纤光锥14分别与HTPS液晶片3和CCD感光元件5无缝贴合，HTPS液晶片3与CCD感光元件5通过铁丝19相连接，并通过螺钉18固接于支架15。支架15与显示屏9之间、沿镜头1到显示屏9的方向依次设置有电源模块6、图像处理模块11和液晶驱动模块7。液晶驱动模块7通过HTPS液晶片信号线4与HTPS液晶片3相连接。HTPS液晶片3位于镜头1的焦平面，显示屏9与液晶驱动模块7通过显示屏信号线10相连接，CCD板机13与图像处理模块11之间设置有电路板信号线12。
本发明探测器中主要部件的结构及工作原理：
1.HTPS液晶片3
HTPS液晶片3选用高温多晶硅薄膜晶体管液晶片HTPS TFT-LCD。TFT-LCD中所用的是扭曲向列(Twisted Nematic，简称TN)型液晶，当一束线偏振光垂直通过液晶盒时，其偏振方向将随液晶分子的扭曲发生旋转，其总扭曲角恰等于90°。若无外加电场，出射光强最大；当在两基片电极上加一定电压时，液晶分子倾斜，出射光强随之发生变化；当外加电场足够强时，几乎所有液晶分子都倾斜90°，入射到液晶盒上的线偏振光的振动方向将不发生旋转，出射光强为零。因此，出射光可通过外电场(驱动电压)来调制。TFT-LCD液晶片的透明电极一般采用大规模集成电路工艺制作，具有像元结构的TFT-LCD液晶片的各像元可独立接受电信号控制，从而控制各像元对光的调制，它可直接由视频显示信号来驱动。对于数字图像的单个像素来说，其灰度色阶值和电压之间呈线性对应关系。像素灰度色阶与液晶片透过率的关系曲线图，如图2所示，当输入图像单个像素的灰度色阶值为250时，对应的HTPS液晶片3的透过率约为26％；当输入图像单个像素的灰度色阶值为0时，对应的HTPS液晶片3的透过率约为1.28％。
HTPS液晶片3的宽容度L，可通过以下公式计算得到：
E＝2.5×2^L                  (1)
(1)式中，E表示照度，单位lx；L表示宽容度，单位EV。
HTPS液晶片3的色阶值由250变化到0时，宽容度变化了大约4EV值。相当于HTPS液晶片3将CCD感光元件5的宽容度提高了大约4EV值。因此，通过改变HTPS液晶片3各个像素点的色阶值，能缓和图像对比度，进而体现出图像的细节。HTPS液晶片3通过外部信号电压精确控制每个像素点内液晶分子的矢倾斜角，调节每个像素上液晶分子的光透过率，进而控制到达CCD上每个像素的光通量，提升了系统的探测范围。
2.光纤光锥14：
光锥是继光纤面板和光纤倒像器之后的又一硬光纤锥形传像器件。与光纤面板一样，光锥也是依靠成千上万融合在一起的光学纤维细丝传递不同的象素，实现传像功能。光纤光锥14的纤维细丝成六方密排结构，光线在其中按折线路径传播。它提供了一种放大或缩小的无畸变的图像传输。光纤光锥14耦合CCD感光元件5时，由于材料不同，两者的兼容性不好，因此，光纤光锥14与CCD感光元件5的耦合难度较大。HTPS液晶片3与光纤光锥14具有较好的兼容性，将HTPS液晶片3与光纤光锥14置于光学平台上进行激光准直，然后将二者紧密贴合，即完成光纤光锥14与HTPS液晶片3的耦合。
图像处理模块11、液晶驱动模块7和电源模块6构成控制电路，该控制电路的动作流程图，如图3所示，CCD感光元件5感知镜头1摄取的图像信息，并将该图像信息传输至CCD板机13，CCD板机13对接收到的图像信息进行滤波整形，然后，将处理后的图像信息传送至图像处理模块11，图像处理模块11将接收到的图像信息进行运算处理，并将处理后的图像信息传输至液晶驱动模块7，液晶驱动模块7根据接收到的图像信息产生HTPS液晶片3正常工作的显示时序，并通过该显示时序控制HTPS液晶片3输出图像。
CCD板机13输出ITU-RBT.601/656YUV标准PAL(Phase AlternatingLine)格式信号。PAL格式信号采用逐行倒相正交平衡调幅的技术方法，克服了NTSC制相位敏感造成色彩失真的缺点。对同时传送的两个色差信号中的一个色差信号采用逐行倒相，另一个色差信号进行正交调制。在信号传输过程中如果信号发生相位失真，则相邻两行相位相反的信号，互相补偿，有效地克服了因相位失真引起的色彩变化。因此，PAL制对相位失真不敏感，图像彩色误差较小，特点是625线，每秒25格，隔行扫描，采用ITU-R BT.601/656YUV色彩编码，进行图像处理时，可以对不同区域的亮度进行更精准的区分。
本发明探测器中图像处理模块11的结构，如图4所示，图像处理模块11的结构包括：图像处理计算单元21分别与VGA显示器22、VGA编码器23、片上存储器24和Avalon总线20相连接，片上存储器24至少为两个，Avalon总线20与视频解码器25相连接，视频解码器25CCD板机13相连接，VGA显示器22与VGA编码器23相连接。图像处理计算单元21采用Cyclone II EP2C20F484C7芯片。该芯片提供18752个逻辑单元，具有26个嵌入式18×18乘法器，4个PLL，最多315个用户I/O管脚，132个差分通道，提供EPCS4串行配置芯片，并支持并行计算，满足系统对计算速度的要求。图像处理计算单元21无法对CCD板机13输出的PAL格式的模拟信号进行直接处理，必须通过视频解码器25对PAL信号进行高速高精度采样。视频解码器25采用ADV7181视频解码芯片，该视频解码芯片可以自动检测NTSC、PAL和SECAM等标准的复合电视信号，并将该复合电视信号转换为16位或8位的ITU 656YUV 4:2:2的视频数据输出格式。视频解码芯片寄存器的取值分为默认值和设置值。默认值是芯片复位后的寄存器缺省取值，设置值是通过I2C总线对控制寄存器的默认值进行修改，重新设定视频解码芯片的各种功能。通过图像处理模块11的电路控制I2C总线，对视频解码芯片进行寄存器配置，将其设置为PAL制式输入，以27MHz的时钟进行A/D转换，并输出16位格式为ITU 656YUV 4:2:2的数字信号。其中Y通道的数据是逐点像素的亮度信息。用硬件描述语言在芯片内部逻辑单元上生成至少两个片上存储单元做乒乓操作运算，用于隔行到逐行扫描顺序的改变，在处理灰度图像信息之前做信号的预处理。
图像处理模块11中的图像处理计算单元21通过调整输入输出亮度值的函数关系，调整HTPS液晶片3逐点像素的亮度。根据输入输出数据进行直线拟合，得到如图5所示的图像处理曲线，在输入灰度值较低的A区，系统输出高亮的白色，在输入灰度值较高的A+B和A+2B等区，系统输出较黑的图像。基于图像处理计算单元21的FPGA处理系统不支持浮点运算，因此，为避免出现浮点，参数A和B必须满足一定的数学关系。成像系统前端采集到的图像不同，对该图像进行处理时的图像校正也不相同。为了对各种图像中不同亮度区域的灰度进行自由调整，采用开关组选择不同的图像校正曲线。开关组采用拨挡开关，每三个为一组，共五组，以二进制编码为基础，共有215种不同的组合模式，足以满足各种图像的要求。以下是基于硬件描述语言Verilog的部分核心处理算法：
always@(CLOCK)
begin      //select reply or not
  if(SW0＝＝0)
  Y_transform＝Yw；
else
begin
    if(Yw＜64)
    Y_transform＝255-(64-Yw)*(7-X5)；
    else if(Yw＜96)
    Y_transform＝32*(X5+1)-(160-Yw)*(X5-X4)；
    else if(Yw＜128)
    Y_transform＝32*(X4+1)-(128-Yw)*(X4-X5)；
    else if(Yw＜160)
    Y_transform＝32*(X3+1)-(160-Yw)*(X3-X4)；
    else if(Yw＜192)
    Y_transform＝32*(X2+1)-(192-Yw)*(X2-X3)；
    else if(Yw＜224)
    Y_transform＝32*(X1+1)-(224-Yw)*(X1-X2)；
    else
    Y_transform＝(255-Yw)*X1；
  end
end
always@(CLOCK)
Y_temp＝Y_transform；
图像处理计算单元21控制VGA编码器23将经过处理的YUV信号转换成VGA接口的RGB编码，以满足液晶驱动模块7采用的VGA接口，同时，图像处理计算单元21还需产生VGA编码显示所需的标准时序。
探测器中液晶驱动模块7的工作原理图，如图6所示。液晶驱动模块7由信号处理器、采样/保持驱动器、脉冲发生器和锁相器组成，用5V电源供电直接驱动HTPS液晶片3。图像处理模块11产生的水平同步信号输入到锁相器，锁相器向HTPS液晶片3输出VGA、SVGA和XGA分辨率等，图像处理模块11产生的垂直同步信号输入脉冲发生器。脉冲发生器内部的串行接口电路，通过I2C总线外部控制实现对寄存器的配置。R，G，B三路独立的视频信号经信号处理器进行增益和偏压调整矫正，并将调整后的信号输入到采样/保持驱动器，采样/保持驱动器将接收到的视频信号直接输入HTPS液晶片3，HTPS液晶片3将接收到的视频信号进行显示。
电源模块6为图像处理模块11、液晶驱动模块7以及风扇8分别提供5V、12V和20V三种不同伏值的电压。
本发明成像探测器的工作原理：
镜头1将目标物成像在HTPS液晶片3的起偏器平面上，形成图像信息，光纤光锥14按照单像素一一对应的关系将该图像信息传递至CCD感光元件5的像敏面上，完成光信息的高效采集。CCD感光元件5将接收到的图像信息转变为电压信号，并将该电压信号传输给CCD板机13，CCD板机13将接收到的电压信号通过解码和采样转换为数字信号，并将该数字信号通过电路板信号线12输送至图像处理模块11。图像处理模块11将接收的数字信号转变为图像逐个像素的亮度信号，并根据预先设置的阈值函数关系对该亮度信号进行重新调整，将调整后的信号再按照亮度与色彩空间的转换关系，转变为彩色数字信号，并将该彩色数字信号输入液晶驱动模块7。液晶驱动模块7将接收到的彩色数字信号进行相应时序处理后，通过HTPS液晶片信号线4输送至HTPS液晶片3，完成电信号的高效处理。横纵分布在HTPS液晶片3每个像素点上的高温聚硅透明电极将会根据接收到的电信号，控制液晶分子的旋转方向，显示出一幅局部选通的图像。
上述过程为视频图像第一帧的采集和处理，在此过程中CCD感光元件5起到测光的作用。当第二帧图像通过镜头1再次在HTPS液晶片3起偏器平面成像的时候，会与之前HTPS液晶片3上显示的局部选通图像进行叠加，在光纤光锥14耦合HTPS液晶片3的一面重新合成一张各个像素点光强被调整过的图像。此图像经过光纤光锥14耦合在CCD感光元件5的像敏面产生电信号，该电信号经过CCD板机13处理后，送入图像处理模块11。图像处理模块11再次根据预设阈值关系进行逐点像素亮度值的匹配，并且把匹配之前的图像通过显示屏信号线10输送给显示屏9显示图像，经过逐点亮度调整的图像再次输送至液晶驱动模块7，并通过HTPS液晶片3予以显示。第三帧及以后的各帧视频图像将重复第二帧图像的处理过程，直到当前图像的各个像素亮度值都满足了预设条件，图像处理模块11将不再对选通图像做进一步处理，显示屏9上将显示一张对比度经过了缓和、细节被体现的图像。此时，整个闭环反馈系统将达到一个稳定的平衡点，实现了成像系统在10⁵lx光强照度下的正常工作和清晰成像。
此外，如果图像处理模块11不对CCD板机13的输出信号在亮度信息上做任何改变，即HTPS液晶片3上只显示CCD板机13实时采集到的图像而不显示选通图像。那么，显示屏9上显示的图像与不加HTPS液晶片3成像的图像相比，图像的对比度就会得到增强。这有利于成像探测器在模糊的环境之下探测出清晰的目标物体，大大提高了探测器适应环境变化的能力。
本发明探测器不仅实现了光强的自动控制局部选通，在10⁵lx高光强照度下能够清晰成像，而且避免了视差和像差的影响，使产生的图像不畸变失真，同时，具有结构简单、效率较高的特点。