基于分色聚焦衍射光学元件的平面光电探测系统的制作方法

本发明涉及平面光电探测系统领域，特别是涉及基于分色聚焦衍射光学元件的平面光电探测系统。

背景技术：

在天文观测、空间遥感等诸多应用领域，为探测到更暗、更小、更远的目标，对空间望远镜探测能力的要求也越来越高，传统望远镜空间分辨能力的持续提升遇到了技术和工程上的瓶颈，难以持续通过增大传统直接成像望远镜口径来提高其空间分辨能力，因此，获得一种新的成像原理和方法并突破传统几何光学的理论限制，对成像技术发展显得尤为重要。

基于干涉原理的新型光电探测成像技术，即分块式平面光电探测成像技术(segmentedplanarimagingdetectorforelectro-opticalreconnaissance,spider)，spider采用放射状系统设计形式，以微透镜阵列取代传统大口径光学镜片获取光学信息，避免了大尺寸光学透镜或反射镜的制备与加工，在获得相同分辨率图像的情况下可比传统望远镜缩小10～100倍的尺寸、重量和功耗，该技术有望极大降低遥感载荷的尺寸、质量、功耗和研制周期。

spider应用的关键是光子集成回路(pic)的研制，pic集成了光波导阵列(arrayedwaveguidegrating,awg)、光栅分束器和相位调制器和多模干涉(multi-modeinterference,mmi)耦合器等多个部组件，该设计集成方式存在较多问题：一方面，在光子集成回路中，将各器件集成在一个回路中时需根据系统的指标进行折中设计优化；另一方面，大规模的波导集成会导致波导间的信号串扰；此外，pic中集成了大量的光栅分束器，并且光栅分束器的采用会增大pic的损耗。

技术实现要素：

本发明的目的是提供基于分色聚焦衍射光学元件的平面光电探测系统，简化了分块式平面光电成像系统结构，减轻了光子集成回路的集成负担，缩短了波导传输距离，使得光子传输效率和能量利用率得以提升。

本发明的目的通过如下技术方案实现，

基于分色聚焦衍射光学元件的平面光电探测系统，包括分色聚焦衍射光学元件1、光子集成回路2和信息处理模块3，所述的光子集成回路由光波导阵列21和相位延迟器22构成，所述的分色聚焦衍射光学元件1获取目标光学信息，对应波段的光束通过分色聚焦衍射光学元件1后分成至少两个窄波段光束并聚焦耦合进光波导阵列21中，而后通过相位延迟器22实现相位调整至两束光满足干涉条件，再将相干光输入到信息处理模块3进行图像复原获得高分辨率图像。

可选的，所述的信息处理模块3包括正交探测器和数字信号处理模块。

可选的，所述的分色聚焦衍射光学元件1为位相型聚焦光栅。更优选的，所述的位相型聚焦光栅是由平面光栅和离轴菲涅耳透镜组合制作在同一块基片上构成，所述的基板上刻划有多组平面光栅，在基板的另一侧刻划有至少两个同心刻槽组成菲涅尔透镜。更优选的，所述的位相型聚焦光栅采用微光学制作技术通过n次套刻而成，其中n为大于1的正整数。

有益效果如下：

本发明采用具有分色聚焦衍射光学元件取代了spider中复杂的微透镜阵列和光子集成回路中的光栅分束器，减轻了光子集成回路的集成负担。

由位相型聚焦光栅来接收光能量，可避免大尺寸光学透镜或反射镜的制备与加工，具有较低的尺寸、重量和功耗。

更重要的是简化了平面光电成像系统结构，缩短了波导传输距离，使得光子传输效率和能量利用率得以提升。

附图说明

图1是本发明基于位相型聚焦光栅的平面光电探测系统成像原理图。

具体实施方式

以下结合附图给出的实施例对本发明结构作进一步详细描述。

参照图1，本发明提供基于分色聚焦衍射光学元件的平面光电探测系统，包括位分色聚焦衍射光学元件1、光子集成回路2和信息处理模块3，所述的光子集成回路由光波导阵列21和相位延迟器22构成，所述的分色聚焦衍射光学元件1获取目标光学信息，对应波段的光束通过分色聚焦衍射光学元件1后分成至少两个窄波段光束并聚焦耦合进光波导阵列21中，而后通过相位延迟器22实现相位调整至两束光满足干涉条件，再将相干光输入到信息处理模块3进行图像复原获得高分辨率图像。

在一些实施例中，所述的信息处理模块3包括正交探测器和数字信号处理模块。

在一些实施例中，所述的分色聚焦衍射光学元件1为位相型聚焦光栅。在一些实施例中，所述的位相型聚焦光栅是由平面光栅和离轴菲涅耳透镜组合制作在同一块基片上构成，所述的基板上刻划有多组平面光栅，在基板的另一侧刻划有至少两个同心刻槽组成菲涅尔透镜。在一些实施例中，所述的位相型聚焦光栅采用微光学制作技术通过n次套刻而成，其中n为大于1的正整数。

所述平面光电探测系统的光场传播模型即光信号从物面到位相型聚焦光栅，再由位相型聚焦光栅到像面的光场传播模型如下：

所述菲涅尔波带片的每个全波带分为m个台阶，每个台阶是位相相同的同心圆环，相邻两个台阶的位相差为2π/m，透过率函数可写为：

式中，rect(x)为矩形函数，f0为菲涅尔波带片的主焦距，λ为入射光的波长。把平面光栅的每个周期也分为m个位相台阶，其透射率函数为：

式中，t为光栅的周期，表示卷积。

式(7)与式(8)均可展开为傅里叶级数：

将菲涅尔波带片与平面光栅组合起来，制作在同一块基板上，可以构成同时具有色散分光和聚焦光谱功能的位相型聚焦光栅，其复振幅透射率函数为：

u(x,y)＝f(x,y)g(x)(6)

用平面光波对组合元件照明，在除元件平面内的任意平面上的衍射光的复振幅可由菲涅尔积分求得：

略去光强较小的高次衍射，(-1，-1)级衍射为：

由以上分析可以得到，位相型聚焦光栅在横向光栅有角色散作用，在纵向菲涅尔波带片有色散聚焦作用，可以达到收集光信息获取目标光学信息，对应的光波通过聚焦光栅后分成多个窄波段光束并聚焦耦合的作用。

本发明的光电探测系统的光场传播模型即光信号从物面到分色聚焦型平面超透镜1，再由分色聚焦型平面超透镜1平面到像面的光场传播模型为：

在x,y平面(z＝z0)上单色平面波在物面的复振幅分布为：

e0＝aexp(2πi(ux+vy))(9)

其中，u,v为空间频率。

光线经光栅传播后可得：

e0′＝e0·t(x,y)(10)

光线再经过波导和相位调制器传播后可得：

设从i1和i2设从为平面光电探测器的两束干涉光线，则发生干涉后，叠加在该点的光振幅为：

其中，cosσ表示相位差，光程差σ＝2π/λ。

所述的平面光电探测器的两束干涉光线经光电转换后的得到的同向电流和正交电流，通过数字信号处理得到两相干光的光强和相位差，经傅里叶逆变换后得到物面光强分布。

本发明的基于分色聚焦衍射光学元件的平面光电探测系统通过上述光场传播模型实现。