液晶微镜阵与纳尖光学天线的高精度多通道驱控方法研究

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图像是人类认识和观察世界的重要媒介,利用成像探测技术可以更好地感测和分析光波中携带的图像信息,从而更好地应用于目标检测与识别操作中。传统成像探测器材通常显示低水平光敏和低可调操控等缺点,难以有效完成目标探测的高灵敏和动态调整需求,同时表现出较低的多模信息捕获能力。发展新型探测方法和技术已成为一项紧迫任务,受到广泛关注。基础研究表明,多种光学天线通过激励表面等离激元等方式,在红外光波的透射率、反射率和辐射调控方面展现了良好的可控特性;电控液晶微镜可通过图案化电极驱使液晶层产生弹性形变,进而形成类似光学透镜的控光特性,完成电控景深调节、自适应成像、3D成像等多种复杂功能。目前正处在研发阶段的耦合液晶微镜阵与光学天线的成像光能收集架构,已显现出执行高效控光成像探测的良好发展前景。研发更高精度和更大阵列规模的驱控信号发生装置,就成为实现高效控光的一项重要条件。本文主要针对研发高精度和多通道电子学驱控装置,以及发展大面阵图案电极液晶微镜阵开展研究工作。首先,分析了纳尖光学天线和液晶微镜阵所需的驱控信号的特征。针对纳尖光学天线所需的高精度驱控信号,采用了两路16位D/A通道叠加的方式输出了理论上高于18位分辨率的电压信号,并对信号A/D采样后进行PID反馈控制。通过芯片筛选、电路优化、函数拟合等方式达到了所要求的输出精度。对于液晶微镜阵所需的384路交流驱控信号,通过分析平面电极液晶微镜的低功耗电容性负载特性,提出了采用电压扫描和电压保持的驱控策略,将384路D/A通道降低至了24路,极大地简化了驱控装置的复杂度。然后,在对信号生成方案仿真验证的基础上,完成了驱控装置的主板制作和代码实现。在电路优化的过程中对比分析了串行通讯、并行通讯和串口通信方式的差异,并基于MCU最大工作频率限制提出了相应的改进措施。实验测试发现,纳尖光学天线驱控装置能够将输出信号的精度控制在0.1m V以内;液晶微镜阵驱控装置能够输出384路交流方波信号,且输出误差均在10%以内。本文还基于迭代法仿真分析,完成了可寻址驱控图案电极液晶微镜阵的设计和制作,并通过软排线耦合方式,将阵列化图案电极与驱控装置连接。最后分别对纳尖光学天线和液晶微镜阵进行了光学实验测试。实验发现,在偏置电压从0V增加到7V过程中,纳尖光学天线的红外透射率能明显提高;液晶微镜阵在驱控电压为5Vrms~10Vrms时,能展现良好的分区调焦特性。本文所搭建的面阵液晶微镜驱控原理系统,为开展图像分区探测和自动对焦等研究奠定了基础,所制作的电子学驱控装置在光学成像探测实验中展现了稳定有效的驱控性能。
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