分布式面阵薄片成像系统的制作方法

本发明涉及高精度军事侦测、远距离环境监测和深空探测技术领域，尤其涉及一种分布式面阵薄片成像系统。

背景技术：

近年来，高分辨率探测系统在遥感地形勘探、高精度军事侦测、远距离环境监测等方面发挥着越来越重要的作用，受瑞利分辨极限和衍射极限限制，想要获得高分辨率的图像需增加望远物镜的口径。传统纵向望远光学系统的长度随口径的增加线性增大，导致整个系统体积和重量增加，严重制约了系统的使用范围。目前已知最大单口径天基高精度望远系统哈勃空间望远镜(hubblespacetelescope)，有效口径仅2.4m，整个系统长度13m，重量达到11吨。nasa最新的詹姆斯韦伯空间望远镜(jameswebbspacetelescope)采用子镜拼接的方式在有效口径提升至6.5m的前提下，系统重量仅为哈勃空间望远镜的一半，但系统需高精密机械调整使子镜焦点重合。由此可见，传统高分辨率成像系统均因空间结构和成像方式使得系统的体积、重量和功耗难以压缩。因此，轻量化、小型化的新型高分辨率成像技术一直是世界范围内研究的热点。

微纳光子器件是光子技术应用的载体，是未来提高信息传输和处理能力的核心，因其具有高速、大容量、低功耗、轻质化等优势，将在未来的智能化、信息化过程中发挥更加重要的作用，正受到世界各国的深入关注。近年来，随着微纳光子集成光路和孔径合成技术的发展，有学者根据vancitter-zernike定理提出光学干涉薄片成像系统的概念，该技术采用微透镜阵列和微纳集成光子器件pic(photonicsintegratedcircuit)取代大口径透镜和复杂空间光路，与传统成像技术相比，该技术在重量、尺寸和功耗等方面显著减小。经理论计算，在相同分辨率的情况下，可将系统的swap(sizeweightandpower)减小到传统的成像技术的10^-1-100^-1。另外，与标准光电系统繁复的集成、制造和调试相比，pic可采用金属有机化合物化学气相沉淀(mocvd)平台工艺制作，简化了系统制作流程，结构光路被刻蚀在平板波导上，无需繁复的光路调试，减少系统的制作时间和成本。

光学干涉薄片成像是利用van-citterzernike定理，解析得出物空间光强与孔径面互强度为傅里叶变换对。同时由定理可知，完全非相干光(自然光)远距离传输后，完全非相干光会转换为部分相干光，经分布式面阵透镜和微纳光子集成器件增强其相干性即增大相干条纹对比度，最后通过傅里叶变换反演出物空间光强分布信息。

光学干涉薄片成像与微纳集成关键技术相比传统成像系统优势显著，但该技术仍处于研究初期，还存在较多问题亟需解决。目前，空间光路结构存在的问题是相同透镜数量条件下构成的基线对太少，导致空间频率覆盖范围较小，严重影响了图像重构质量。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种分布式面阵薄片成像系统，以期至少部分地解决上述技术问题中的至少之一。

为了实现上述目的，本发明提供了一种分布式面阵薄片成像系统，包括分布式面阵透镜阵列、微纳光子集成器件、线性探测器阵列和图像重构算法，其中，

分布式面阵透镜阵列为辐射状线性排布方式，在每条线性阵列后端透镜焦平面空间耦合微纳光子集成器件，其中所述微纳光子集成器件将各透镜耦合光分为两束，将奇数间距透镜对耦合构成干涉基线，同时将偶数间距透镜对耦合构成干涉基线。

其中，所述微纳光子集成器件包括分束结构、波导结构、阵列波导光栅结构和mmi结构。

其中，空间光经所述透镜耦合进入微纳光子集成器件后，经所述分束结构将光束分为1∶1的两束光。

其中，所述每条线性阵列上透镜直径为单位1，相邻透镜中心距离为1，则2n个透镜最大间距为2n，n为正整数。

其中，所述奇数间距透镜对是指间距为1，3，5…2n-1的透镜对，所述偶数间距透镜对是指间距为2，4，6…2n的透镜对。

基于上述技术方案可知，本发明的分布式面阵薄片成像系统相对于现有技术至少具有如下有益效果中的一部分：

本发明提出了一种分布式面阵薄片成像系统空间光路优化设计的方案，优化了透镜对的组合方式，提高了空间频率覆盖率，减少了信息丢失，改善了重构图像质量。

附图说明

图1为本发明分布式面阵薄片成像系统的结构示意图；

图2为本发明分布式面阵透镜排布示意图；

图3为本发明透镜奇偶间距配对结构示意图；

图4为本发明仿真所用原图像；

图5为现有系统配对结构的二维空间频谱与本发明透镜奇偶间距配对结构的二维空间频谱的对比图，其中，图5(a)为现有系统配对结构的二维空间频谱，图5(b)为本发明透镜奇偶间距配对结构的二维空间频谱；

图6为现有系统配对结构与本发明透镜奇偶间距配对结构的仿真重构图像的对比图，其中，图6(a)为现有系统配对结构的仿真重构图像，图6(b)为本发明透镜奇偶间距配对结构的仿真重构图像。

具体实施方式

本发明公开了一种新型高分辨率成像系统，主要解决了目前分布式面阵薄片成像系统的空间频域覆盖范围小的问题。其主要包括，分布式面阵透镜阵列、微纳光子集成器件(pic)、线性探测器阵列以及图像重构算法。分布式面阵透镜阵列为辐射状线性排布方式，在每条线性阵列后端透镜焦平面空间耦合pic芯片，光子集成电路将各透镜耦合光分为两束，将奇数间距透镜对耦合构成干涉基线，同时将偶数间距透镜对耦合构成干涉基线。本发明在相同透镜个数条件下，扩增了一倍空间频率覆盖率，不损失高频基线和低频基线，有效提高了图像重构质量。

具体的，本发明公开了一种分布式面阵薄片成像系统，包括分布式面阵透镜阵列、微纳光子集成器件、线性探测器阵列和图像重构算法，其中，

分布式面阵透镜阵列为辐射状线性排布方式，在每条线性阵列后端透镜焦平面空间耦合微纳光子集成器件，其中所述微纳光子集成器件将各透镜耦合光分为两束，将奇数间距透镜对耦合构成干涉基线，同时将偶数间距透镜对耦合构成干涉基线。

其中，所述微纳光子集成器件包括分束结构、波导结构、阵列波导光栅结构和mmi结构。

其中，空间光经所述透镜耦合进入微纳光子集成器件后，经所述分束结构将光束分为1∶1的两束光。

其中，所述每条线性阵列上透镜直径为单位1，相邻透镜中心距离为1，则2n个透镜最大间距为2n，n为正整数。

其中，所述奇数间距透镜对是指间距为1，3，5…2n-1的透镜对，所述偶数间距透镜对是指间距为2，4，6…2n的透镜对。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

参照图1为本发明分布式面阵薄片成像系统结构示意图，具体包括分布式面阵透镜阵列、微纳光子集成器件(pic)、线性探测器阵列以及图像重构算法。分布式面阵透镜阵列为辐射状线性排布方式，示意图如图2所示，在每条线性阵列后端透镜焦平面空间耦合pic芯片，将耦合光进行两两组合构成干涉基线。

所述干涉基线组合方式，即分布式面阵各线性透镜阵列两两组合构成不同长度和方向的干涉基线。现假设但不限于线阵数量为37条，微透镜直径5mm，微透镜线阵密集排布，相邻透镜中间不留空隙，单条线阵透镜数量为30。将30个透镜按1，2，3...30编号，则干涉基线长度依次为5mm，10mm，15mm....145mm。按现有的基线组合方式，30个透镜只能得到15条基线，会缺失低频或高频段基线。本发明描述奇偶配对方式，30个透镜可得到29条基线，不会缺失频率信息。

按图3描述可知，现将每个透镜耦合的光分为a和b相同的两束。奇数间距组合为(1a，30a)，(2a，29a)(3a，28a)......(15a，16a)，对应的长度依次为145mm，135mm，125mm......5mm。偶数间距组合为(1b，29b)，(2b，28b)，(3b，27b)......(14b，16b)，对应的长度依次为140mm，130mm，120mm......10mm。

按上述方式进行间距配对可覆盖从5mm至145mm所有的基线长度，和现有的基线组合方式对比，基线数量增加近一倍，空间频率覆盖面积增大近一倍。然后耦合光经微纳光子集成器件(pic)移相、分束、多模干涉之后，可由探测器得到干涉条纹，从而进行傅里叶逆变换进行图像重构。

所述微纳光子集成器件(pic)包含分束结构、波导结构、阵列波导光栅结构和mmi结构等。空间光经所述透镜耦合进入微纳光子集成器件后，经所述分束结构将光束分为1∶1的两束光。

本发明的工作原理描述为：利用van-citterzernike定理，解析得出物空间光强与孔径面互强度为傅里叶变换对。同时由定理可知，完全非相干光(自然光)远距离传输后，完全非相干光会转换为部分相干光，经分布式面阵透镜和微纳光子集成器件增强其相干性即增大相干条纹对比度，最后通过傅里叶变换反演出物空间光强分布信息。

本发明的效果可用以下仿真进一步说明：

图4为仿真所用原图像，仅有灰度信息。

图5(a)为现有间距配对方式所得空间频域覆盖图，图5(b)为本发明奇偶间距配对方式所得空间频域覆盖图，从每条线阵上可明显看出本发明的配对方式所得覆盖面积大于现有配对方式。

图6为两种方式进行图像重构的结果。图6(a)为按现有间距配对方式进行图像重构的结果，图6(b)为按本发明奇偶间距配对方式进行图像重构的结果。从两幅还原图像可明显看出本发明的所得图像质量更好。对比与原图像灰度值的均方根，图6(a)为260，图6(b)为240，同样可看出图6(b)更贴近原图像。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。