基于分层多级奇偶对称臂微透镜阵列的集成光学干涉成像系统及方法

本发明属于光学干涉及高分辨率成像领域，涉及一种基于分层多级奇偶对称臂微透镜阵列的集成光学干涉成像系统及方法。

背景技术：

1、集成光学干涉成像系统体积小、重量轻及功耗低，且成像系统分辨率不受单个透镜口径尺寸的限制，是一种创新的新型成像技术。与传统光学成像系统不同的是，集成光学干涉成像系统利用微透镜阵列收集目标光信号，利用光子集成技术实现目标相干成像获得目标频谱信息，然后对获得的频谱信息进行傅里叶逆变换获得目标图像，经过后期研究发展可逐步取代传统望远镜大口径光学成像系统器件，打破了传统望远镜口径的限制，在保证光学系统分辨率及成像质量的同时，大大降低成像系统的体积、重量及功耗，成为未来光学系统轻量化、高分辨率、大视场的新型成像技术发展趋势之一。

2、传统的径向微透镜阵列排布集成光学干涉成像系统，其干涉臂上的透镜紧密排布，每条干涉臂上的微透镜数量相同，在均匀配对的情况下，它构成的基线长度只有透镜直径的奇数倍，如图2(a)，图3(a)所示，根据干涉成像原理，一对透镜能采集到的空间频率与基线的长度成正比，因此传统径向微透镜排布系统采样不到偶数倍透镜直径的基线长度对应的空间频率信息，收集目标光的频谱信息，获得的频谱覆盖信息如图4(a)所示。此外，大多数目标图像中的中低频信息占比重最多，构成了图像最基本的灰度等级和基本轮廓，而传统的径向微透镜阵列排布集成光学干涉成像系统对中低频的采样过于稀疏，导致成像质量较差。

3、为了解决上述问题，传统的径向微透镜阵列排布集成光学干涉成像系统通过改善基线配对方式来增加低频信息的采集，但是由于微透镜数量是固定的，低频信息采集的增加必然造成中高频信息的缺失，这种缺失使得图像振铃伪影非常严重。这种配对方式的改变低频采样虽然增加了，但是振铃伪影的引入，使得图像质量并没有很好的提升。

4、因此，缺少一种能保证低频信息采样足够的同时，而不减少其他频率的采样的解决方案。

技术实现思路

1、为了解决背景技术中传统径向微透镜阵列排布集成光学干涉成像系统存在的问题，本发明提出了一种基于分层多级奇偶对称臂微透镜阵列的集成光学干涉成像系统及方法，解决了传统系统在径向方向上空间频率信息采样不足的问题，并且在不减少高频信息采样的同时，增加了中低频信息的采样，保证图像基本的灰度等级和基本轮廓清晰，提升光学系统成像质量，而且几乎不增加硬件成本与制造难度。

2、因此，一方面，本发明提出的了一种基于分层多级奇偶对称臂微透镜阵列的集成光学干涉成像系统，该集成光学干涉成像系统包括分层多级奇偶对称臂微透镜阵列、光子集成芯片和信息处理系统，分层多级奇偶对称臂微透镜阵列位于光子集成芯片上面，信息处理系统位于光子集成芯片的下面，分层多级奇偶对称臂微透镜阵列收集目标的光信息，经光子集成芯片相干处理得到待成像目标的uv频谱信息，最后由信息处理系统分析计算获得目标的成像结果。分层多级奇偶对称臂包括分别由奇数个微透镜和偶数个微透镜组成的长干涉臂以及分别由奇数个微透镜和偶数个微透镜组成的短干涉臂，分层多级奇偶对称臂微透镜阵列由长奇数干涉臂、长偶数干涉臂以及长奇数干涉臂两侧的短奇数干涉臂、长偶数干涉臂两侧的短偶数干涉臂交替分布排布构成；长奇数干涉臂和长偶数干涉臂中最靠近微透镜阵列中心的透镜均位于同一圆周，短奇数干涉臂和短偶数干涉臂中最靠近微透镜阵列中心的透镜均位于另一圆周。

3、本发明的分层多级奇偶对称臂结构及其构成的微透镜阵列布置，使得系统可以获得同干涉臂方向上连续整数倍基频的频谱信息，并且增加了中低频的频谱采样，最后逆傅里叶变换得到的目标成像质量大幅度提升。

4、所述的长奇数干涉臂是由奇数个透镜沿圆周的同一半径径向直线紧密排列构成，直线上位于中间透镜两侧的透镜以位于中间的透镜为中心两两配对，位于中间的透镜不与其他透镜配对。

5、所述的长偶数干涉臂是由偶数个透镜沿圆周的同一半径径向直线紧密排列构成，直线上的透镜以直线中心为对称点两两配对；

6、所述的短奇数干涉臂位于长奇数干涉臂的两侧，其配对方式与长奇数干涉臂配对方式一致。

7、所述的短偶数干涉臂位于长偶数干涉臂的两侧，其配对方式与长偶数干涉臂配对方式一致。

8、所述的长奇数干涉臂、短奇数干涉臂、长偶数干涉臂以及短偶数干涉臂接收目标光信号的频谱信息，长奇数干涉臂和短奇数干涉臂中间不配对的一片透镜接收目标光信号中的零频信息。

9、具体实施中，成像系统拥有17条长奇数干涉臂、17条长偶数干涉臂、34条短奇数干涉臂以及34条短偶数干涉臂，每条长奇数干涉臂上有27个透镜紧密排布，每条长偶数干涉臂上有26个透镜紧密排布，每条短奇数干涉臂上有17个透镜紧密排布，每条短偶数干涉臂上有16个透镜紧密排布，关于干涉臂中心对称的两个透镜配对构成基线，所有干涉臂使用相同的透镜，其通光口径为2mm，焦距9.4mm，透镜之间紧密排布。

10、所述的利用分层多级奇偶对称臂微透镜阵列收集目标光的频谱信息，可以获得连续整数倍基频的空间uv频谱覆盖信息，然后通过对目标空间频谱覆盖信息做傅里叶逆变换得到目标图像。

11、所述的基频可以表示为：

12、其中，bmin为集成光学干涉成像系统最短基线长度，λmax为入射光波的最大波长，z为目标源到微透镜阵列的距离。

13、所述的整数倍基频的频谱信息具体为只接收到了单波长的信息，或者将不同波长分开为多个单波长处理。

14、所述的uv频谱覆盖由透镜对之间的基线长度决定。

15、透镜阵列中某一方向上的透镜对(s1,s2),(r1,r2)组成不同长度的基线b1,b2,基线b(δx,δy)与透镜对的对应关系为：b＝(mi-mj,ni-nj)，其中，(mi,ni)和(mj,nj)表示两个透镜i和j的中心坐标，基线b(δx,δy)就是两个透镜之间的距离。基线长度与uv频谱的对应关系为：

16、

17、其中，λ为信号光波长，z为目标源到微透镜阵列的距离。

18、uv频谱覆盖的表达式可以表示为：

19、

20、另一方面，本发明提出一种基于分层多级奇偶对称臂微透镜阵列的集成光学干涉成像方法，具体步骤如下：

21、(1)读入图像作为模拟物面，用每个像素点的灰度值的平方根a作为该点发出光线的振幅，再随机赋予每个像素点初相位作为待成像目标上某点发出的光线e：

22、

23、(2)构建分层多级奇偶对称臂微透镜阵列的数学模型，长干涉臂之间的夹角为α1，长干涉臂与短干涉臂之间的夹角为α2，

24、位于第j个长干涉臂上的第i个透镜的坐标为：

25、

26、位于第j个长干涉臂下侧的短干涉臂的第i个透镜的坐标为：

27、

28、位于第j个长干涉臂上侧的短干涉臂的第i个透镜的坐标为：

29、

30、其中，d是微透镜的直径，r1为长干涉臂组成的内层圆的半径，r2为短干涉臂组成的内层圆的半径，其中，r1和r2由下列公式求出：

31、

32、(3)模拟物平面发出的光线传播到成像系统的透镜阵列平面，透镜阵列中心坐标为xlens,ylens的透镜接收来自物面坐标为xobj,yobj的光线e0表达式为：

33、

34、其中，λ为物面发出光线的波长，z为物面到微透镜阵列平面的距离；

35、最后，光线经过信息处理系统处理后得到待成像目标的空间频谱信息表示为：

36、

37、其中，f0是目标空间频谱信息的振幅，是空间频谱信息的相位；

38、(4)将步骤(3)中得到的所有目标频谱信息作傅里叶逆变换反演得到目标的成像结果。

39、本发明设置的长干涉臂总数为偶数，且由奇数个微透镜组成的长干涉臂和由偶数个微透镜组成的长干涉臂对称交替分布。拥有奇数个微透镜的干涉臂最中间的透镜不配对用来采集零频信息，其他透镜以中间透镜为对称点两两配对，实现基线偶数倍的频谱采集，拥有偶数个微透镜的干涉臂以位于中间处为中心对称分布的两个透镜相配对，实现基线奇数倍的频谱采集，这样，长奇数干涉臂和长偶数干涉臂结合实现连续整数倍基频的频谱采集。此外，在长干涉臂两侧加了短干涉臂，增加中低频的频谱采集，使频谱采集更加完善。

40、本发明集成光学干涉成像系统及方法的优点是：

41、(1)本发明集成光学干涉成像系统实现连续整数倍基频的频谱采集，可以弥补传统集成光学干涉成像系统径向频谱缺失的问题，提升系统的成像质量。

42、(2)本发明集成光学干涉成像系统在不改变其他频谱信息采集的同时，增加了中低频的频谱采集，保证了目标图像的基本灰度等级和基本轮廓完整，提升成像质量。

43、(3)本发明集成光学干涉成像系统几乎不增加系统的制造成本和难度，有助于实际生产应用。