基于分光器件的分段式平面成像系统及成像方法

技术领域

本发明涉及光电探测领域，具体涉及一种基于分光器件的分段式平面成像系统及成像方法。

背景技术

近年来，随着空间光学探测系统分辨率的不断提升，传统大体积大重量大功耗的光学探测系统日益难以满足实际需求。2012年，美国洛克希德马丁公司提出了一种新型的分段式平面光学成像系统，这一系统采用了光学综合孔径技术与光子集成电路技术的结合，通过对目标的空间频率信息进行采集并进行反傅里叶变换，来重构目标的光强分布，从而完成成像功能。这种系统使用微透镜阵列代替了传统的大口径镜头，极大缩小了体积与重量，为小型化、轻量化与低功耗的高分辨率空间光学探测系统的研制提供了新思路。

然而，这种图像系统的分辨率与微透镜对的基线长度以及频谱信息的密度有关，而现有系统中，透镜阵列结构限制了基线长度，导致最大基线较短，且存在部分短基线在同一圆周上冗余，频率覆盖率不高，对图像质量产生较大影响。因此，如何有效提升对图像频域信息的采集与利用，是当前亟待解决的问题。

发明内容

本发明提出了一种基于分光器件的分段式平面成像系统及成像方法，可以应用于目标的探测与成像。通过改进微透镜阵列排布结构及光子集成电路的设计，增加了频域信息的密度，并且有效避免了频域采样点重复的问题，从而提升了目标的成像质量。

本发明提出的技术方案如下：

基于分光器件的分段式平面成像系统，包括透镜阵列，所述透镜阵列包括N个透镜列，每个透镜列包括M个微透镜；M小于等于N且M和N均为偶数，M≥4；

透镜列内的微透镜两两配对组成基线，所述组成基线是指两个微透镜的光线干涉作为一组干涉光，且每一个微透镜均具有以下两种基线组成方式：

方式1：透镜列内沿对称轴两侧对称分布的微透镜分别配对组成基线；

方式2：以该透镜列的中心微透镜为对称轴，两侧对称分布的微透镜分别配对组成基线，所述中心微透镜与该列最外侧未能配对的微透镜配对组成基线，所述中心透镜为最接近对称轴的两个微透镜中的任意一个；

所述成像系统还包括N个光子集成电路和一个图像处理模块；

所述光子集成电路包含M个集成分光器件和2M个阵列波导光栅、2*M根波导传输线和多个平衡四正交探测器；每个透镜列连接一个光子集成电路；

所述光子集成电路前端为M个集成分光器件，透镜列中的每个透镜连接一个集成分光器件，每个分光器件包括两个输出端，每个输出端分别连接一个阵列波导光栅，阵列波导光栅输出端与多个平衡四正交探测器连接，所述平衡四正交探测器与图像处理模块连接；

所述阵列波导光栅具有至少一个单一波长光输出端，阵列波导光栅和平衡四正交探测器的连接关系为：组成同一基线的两个微透镜连接的其中一个阵列波导光栅的相同单一波长光输出端，连接相同的平衡四正交探测器。

优选的，所述透镜阵列中N列透镜列围绕圆心中心对称分布，每列透镜中的M个透镜包括由M/2个连续排列的大透镜组成的第一分列和M/2个连续排列的小透镜组成的第二分列，第一分列和第二分列位于经过所述圆心的同一条直线上，并分别位于圆心的两侧；相邻透镜列的第一分列和第二分列交错分布，且间隔的圆心角相等。

优选的，小透镜直径为大透镜直径的0.6-0.7倍。

优选的，所述分光器件的输出端通过波导传输线连接阵列波导光栅，所述阵列波导光栅通过波导传输线与平衡四正交探测器连接。

本发明还公开了一种透镜阵列，包括N个透镜列，每个透镜列包括M个微透镜；M小于等于N且M和N均为偶数，M≥4，其特征在于，透镜阵列中N列透镜列围绕圆心中心对称分布，每列透镜中包括由M/2个连续排列的大透镜组成的第一分列和M/2个连续排列的小透镜组成的第二分列，第一分列和第二分列位于经过所述圆心的同一条直线上，并分别位于圆心的两侧；相邻透镜列的第一分列和第二分列交错分布，且间隔的圆心角相等。

优选的，小透镜直径为大透镜直径的0.6-0.7倍。

本发明还公开了一种一种成像方法，采用所述成像系统，包括以下步骤：

S1:利用透镜阵列对目标光线进行收集，透镜阵列中每个微透镜的光线经过分光器件分成两束，经波导传输线将干涉光信号传递到平衡四正交探测器；

S2:利用所述平衡四正交探测器对干涉光信号进行检测,并输出同相信号I信号和正交信号Q信号；

S3:利用所述图像处理模块对所述I信号和Q信号进行处理,提取出目标复相干光的振幅和相位信息并存储；

S4:图像处理模块将所有复相干光的振幅和相位信息进行组合，获得目标频谱图后进行傅里叶变换，获取图像

本发明所述的分段式平面成像系统与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、本发明提出的一种基于分光器件的分段式平面成像系统，每个微透镜经过分光器件参与组成两条基线，单个干涉臂采用互补的基线配对方式，可以增加传统系统缺失的空间频率信息的采集，进一步提高了，提升系统的成像质量。

2、利用两种直径不同的微透镜组合，采样覆盖点更加全面。

3、本发明所述成像方法不仅能够提高动态目标重建的准确性和鲁棒性，还具有广泛的应用前景，能够适用于各种不同领域以及不同类型的图像，如自然场景、医学影像等。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1是本发明所述透镜阵列的一个具体实施方式示意图；

图2是现有的分段式平面成像系统中透镜阵列结构示意图；

图3是本发明所述两种基线组成方式的一个具体实施方式示意图；

图4是本发明所述成像系统的一个具体实施方式示意图；

图5是现有技术和本发明所述成像方法进行一个目标图像成像的对比示意图。

第一分列，2-第二分列,3-微透镜,4-对称轴,5-圆心。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

本发明所述的透镜阵列是在现有分段式平面成像系统的透镜阵列基础上进行修改设计的。现有分段式平面成像系统的透镜阵列如图2所示，单条干涉臂上的基线配对方式单一，相邻臂基线配对方式相同，限制了基线数目和频域采样率，使得频域信息在同一圆周分布冗余，同一干涉臂上的频域信息分布缺失。

本发明提出了一种基于分光器件的分段式平面成像系统，包括透镜阵列，所述透镜阵列包括N个透镜列，每个透镜列包括M个微透镜；M小于等于N且M和N均为偶数，M≥4；透镜列内的微透镜两两配对组成基线，所述组成基线是指两个微透镜的光线干涉作为一组干涉光，且每一个微透镜均具有以下两种基线组成方式：

方式1：透镜列内沿对称轴两侧对称分布的微透镜分别配对组成基线；

方式2：以该透镜列的中心微透镜为对称轴，两侧对称分布的微透镜分别配对组成基线，所述中心微透镜与该列最外侧未能配对的微透镜配对组成基线，所述中心透镜为最接近对称轴的两个微透镜中的任意一个；

所述成像系统还包括N个光子集成电路和一个图像处理模块；

所述光子集成电路包含M个集成分光器件和2M个阵列波导光栅、2*M根波导传输线和多个平衡四正交探测器；每个透镜列连接一个光子集成电路；

所述光子集成电路前端为M个集成分光器件，透镜列中的每个透镜连接一个集成分光器件，每个分光器件包括两个输出端，每个输出端分别连接一个阵列波导光栅，阵列波导光栅输出端与多个平衡四正交探测器连接，所述平衡四正交探测器与图像处理模块连接。

所述阵列波导光栅具有至少一个单一波长光输出端，阵列波导光栅和平衡四正交探测器的连接关系为：组成同一基线的两个微透镜连接的其中一个阵列波导光栅的相同单一波长光输出端，连接相同的平衡四正交探测器。

其中，透镜阵列的一个具体实施方式如图1所示，第一分列1和第二分列2分别位于圆心5的两侧，并位于经过圆心的同一直线上，两种不同大小的透镜位于圆心两侧。

所述组成基线是指两个微透镜的光线进行干涉形成一组干涉光，并在后续读取干涉光的频谱信息，例如本发明中每组干涉光后续可通过一个平衡四正交探测器进行探测后输出频谱信息。

成像系统中，每个透镜列连接一个光子集成电路，透镜列中的M个透镜一一对应地连接M个集成分光器件，每个分光器件后端可以设置两根波导传输线连接两个阵列波导光栅；阵列波导光栅通过波导传输线与平衡四正交探测器连接，所述平衡四正交探测器与图像处理模块连接。

其中，阵列波导光栅的作用是将分光器件发出的混合光分解为多个单一波长的光束，每一光束分别连接一个平衡四正交探测器。例如混合光共有K个单一波长光，则阵列波导光栅连接K个平衡四正交探测器，阵列波导光栅与平衡四正交探测器也可以通过波导传输线连接。

所述透镜列的每个透镜参与组成两条基线，所述两条基线分别为：以该透镜列的中心线为对称轴，两侧微透镜配对组成基线；以该透镜列的中心微透镜为对称轴，两侧微透镜分别两两配对组成基线，所述中心微透镜与该列最外侧未能配对的微透镜配对组成基线，所述中心透镜为最中央两个微透镜中的任意一个。如图3所示给出组成基线的两种方式中，各个微透镜搭配组合的示意图。

平衡四正交探测器接收同一基线的两个微透镜经过阵列波导光栅分解后的相同波长的单一波长光进行处理，本发明所述的M个微透镜的透镜阵列共有M-1种基线组合，则需要的平衡四正交探测器数量为(M-1)*K，其中K为需要分解的单一波长光数量。

如图4所示，给出以M＝6为例的基线组合方式，以及阵列波导光栅和平衡四正交探测器的连接关系的一个具体连接关系，图4中微透镜上方的虚线表示基线组合方式。图4中对每个阵列波导光栅只画出了一路单一波长光，对可能更多的单一波长光，连接关系与图4一致。

其中平衡四正交探测器接收阵列波导光栅传输的单一波长光信号，输出的信号分别为I信号(In phase single,同相信号)和Q信号(Quadrature phase signal,正交信号)并可以从中提取出一个基线组合的对应空间频率的振幅和相位信息，对阵列波导光栅的发出的光线进行采集处理为数字信号后，传递到图像处理模块进行计算。

单个透镜列的两条基线采用基线互补的配对方式，其中方式1中，透镜列的M个微透镜以该列透镜的中心线为对称轴，两侧对称分布的微透镜分别配对组成基线，由此可形成1,3，5……M-1倍微透镜直径的基线长度；方式2中，透镜列的M个微透镜以该列透镜的中心透镜为对称轴，两侧对称分布的透镜分别配对组成基线，所述中心微透镜与该列最外侧未能配对的微透镜配对组成基线，所述中心透镜为最中央两个微透镜中的任意一个，由此可组成2,4,6……M-2倍微透镜直径的基线长度，联合后得到的基线长度分布为1,2,3…M-1倍微透镜直径的基线长度，在前M-1个基线长度上形成连续分布。

假设小透镜和大透镜的直径即通光口径为d和D，同一直径但不在同一象限干涉臂的频谱信息共轭，大透镜干涉臂组成的基线长度为D,2D,3D…(M-1)D，小透镜干涉臂组成的基线长度为d,2d,3d…(M-1)d，在同一直径方向，大透镜干涉臂与小透镜干涉臂的频谱信息共轭，所组成的基线长度可以表示为d,2d,3d…(M-1)d,D,2D,3D…(M-1)D，采用透镜直径不相等的方式，提高了同一直径上的频采样密度，从而提高了图像的重建效果。

干涉成像系统通过微透镜对对非相干目标源发射的光线进行干涉，再从干涉条纹中提取复相干因子的幅度和相位信息。基线矢量为出瞳面内两个微透镜之间的位置矢量，基线长度为基线矢量的长度。本发明提供的分段式平面成像系统可以采集为1,2,3…M-1的连续分布基线长度的频谱信息，并且不增加成像系统的面积，现有的分段式平面成像系统仅能采集1,3,5……的基线长度的频谱信息，对比得出，本发明提供的分段式平面成像系统能够采集更多的频谱信息。

基于上述微透镜阵列，本发明可采用这样一种基于分光器件的分段式平面成像系统，包括至少一个微透镜阵列，还包括N个光子集成电路和1个图像处理模块；

光子集成电路包括M个分光器件、2M根波导传输线、2M个阵列波导光栅和多个平衡四正交探测器。M个透镜一一对应地连接分光器件，M个分光器件后端连接有2M根波导传输线，即一个透镜通过分光器件连接两根波导传输线；所述波导传输线阵列波导光栅相连；所述阵列波导光栅与多个平衡四正交探测器连接；所述平衡四正交探测器与图像处理模块连接。

本发明的具体实施方案提供了高密度图像频谱信息的获取方式，同时具有较小的系统尺寸和重量，可以广泛应用于航空、航天和其他高精度图像获取等领域。

一个具体实施例中，干涉臂的透镜列包含60个微透镜。所有干涉臂透镜紧密接触，使用的微透镜包含两种规格，分为大透镜和小透镜，小透镜列与大透镜列处于同一直径方向，分布在圆心的两侧。优选的，小透镜直径即通光口径d为4mm，大透镜通光口径D为7mm。微透镜之间紧密排列，本实施例中，干涉臂的个数即N为36条，各个干涉臂围绕微透镜阵列中心的单透镜均匀射线状分布。单个干涉臂的两个透镜列可以组成长度为1、2、3……59共59个透镜直径的基线。

本发明的效果可用进行仿真进一步说明。表1为本发明的分段式平面成像系统仿真参数表。

表1

根据不同透镜直径比例仿真结果，从表2可见，当透镜比例为0.6-0.7时，峰值信噪比PSNR值最大且结构相似性指标SSIM也能保持较高水平。

表2不同透镜直径比例仿真结果

现有分段式平面成像系统和本发明仿真参数如表1所示，对目标的仿真结果如图5所示，图5中左侧为现有技术成像示意图，右侧为利用本发明得到的成像示意图，从图5左右对比文件，本发明成像物体轮廓更清晰，细节更明显；成像质量评价对比见表3。

表3

综上可以看出，可以看出，由于本发明能采集到更多基线长度对应的频率，并且频谱信息密度提高，峰值信噪比(PSNR)和结构相似性指标(SSIM)和现有分段式平面成像系统相比，均有明显提升，图像重构效果更好。

以上所述的具体实施方式，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，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，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。