CN107782449A - 一种自共相片上干涉光谱成像方法 - Google Patents
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Abstract
一种自共相片上干涉光谱成像方法，包括以下步骤：S1、根据透镜阵列效能函数确定透镜阵列的分布；S2、透镜利用介电润湿效应或整体变形对入射光进行初步相位调节；S3、通过光子集成芯片使初步相位调节后的入射光形成基线对，并对基线对进行精确相位调节后使其发生干涉以形成干涉成像；S4、提取所述干涉成像的信息；S5、根据所述干涉成像的信息，使用光子干涉图像重构方法获得目标数字图像和光谱图像。
Description
技术领域
本发明涉及一种超轻小高分辨率自共相片上干涉光谱成像方法。
背景技术
我国未来深空探测工程将实施四次重大任务，火星探测器将开展物质成分、火星构造、火星环境等科学研究，完成这些科学任务需要火星探测器上配备光谱成像效能高、质量轻、体积小、功耗低的新型探测载荷，若采用传统式光谱成像系统，将不能大幅降低体积、质量、功耗以满足深空探测需求。
深空探测卫星可搭载的有效载荷体积有限，各有效载荷要适应卫星总体给出的搭载位置、体积大小等要求，传统光谱成像载荷是一个多光学部件组成的整体式系统，不能任意改变形状，在适应深空探测卫星总体要求方面具有一定的局限性。
同时，在突发战事、遭遇恐怖袭击等紧急情况下，现有航天侦察系统不具备特定区域的快速重访、准实时侦察监视能力，造成战场态势数据获取不足、情报信息支援不及时的问题。而且，战时一旦卫星遭到破坏，现有航天成像系统研制周期长、成本高，将无法满足军事战争中实时补充载荷的需求。
发明内容
本发明的技术解决问题是：
克服现有技术的缺陷，提出一种超轻小高分辨率自共相片上干涉光谱成像方法，既可实现成像系统分辨率高、体积小、质量轻、功耗低，又可实现集成化程度高、批量化生产、加工周期短、成本低，可用于深空探测、构建快速响应空间系统等。
本发明的技术解决方案是：
一种自共相片上干涉光谱成像方法，包括以下步骤：
S1、根据透镜阵列效能函数确定透镜阵列的分布；
S2、透镜利用介电润湿效应或整体变形对入射光进行初步相位调节；
S3、通过光子集成芯片使初步相位调节后的入射光形成基线对，并对基线对进行精确相位调整后使其发生干涉以形成干涉成像；
S4、提取所述干涉成像的信息；
S5、根据所述干涉成像的信息，使用光子干涉图像重构方法获得目标数字图像和光谱图像。
根据本发明的实施例，在步骤S1中，透镜阵列的分布包括透镜整体构型、透镜大小、间距、行夹角、每行透镜数。
根据本发明的实施例，将基线对的复相干度作为空间频率分量，并将空间频率分量作为透镜阵列效能函数的输入变量，以确定能够实现全空间频率低冗余覆盖的透镜阵列的分布。
根据本发明的实施例，在步骤S2中，如果透镜是液体透镜，则利用介电润湿效应，通过电压调节改变透镜的曲率，从而初步调节入射光的相位；如果透镜是整体变形镜，则通过对透镜进行整体变形以改变透镜的曲率，从而初步调节入射光的相位。
根据本发明的实施例，在步骤S3中，光子集成芯片包括功分器、波分复用器、移相单元、光路交叉单元和相干单元，每个功分器接收一个透镜的初步相位调节后的入射光，通过功分器将相位调节后的入射光按照功率分为多个支路，每个支路通过波分复用器按照光谱分为多个波段的光波信号，多个波段的光波信号分别进入多个移相单元进行精调相位，随后进入光路交叉单元，不同支路的相同波段的光波信号在光路交叉单元中组成基线对，并进入同一相干单元进行干涉，相干单元将干涉后的光信号输出至探测器阵列，以形成干涉成像。
根据本发明的实施例，所述移相单元通过温度调节来改变波导的有效折射率，从而实现对光波信号的精调相位。
根据本发明的实施例，光路交叉单元用于防止光波信号间光场串扰。
根据本发明的实施例，所述干涉成像为基线对在相干单元中干涉后，在探测器阵列上形成的干涉条纹。
根据本发明的实施例，在步骤S4中，所述干涉条纹的信息包括干涉条纹的相位信息和振幅信息。
根据本发明的实施例，在步骤S5中，光子干涉图像重构方法包括对相位信息和振幅信息进行傅里叶逆变换，以获得目标数字图像和光谱图像。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)高效能透镜阵列实现初步实时相位调节，减小甚至是消除相位误差对系统成像质量的影响。同时，借助光子干涉集成芯片上光相移单元进行相位二次校正，实现成像系统相位精确控制，从而降低甚至是消除相位误差对成像质量的影响。
(2)采用透镜阵列替代光学主镜、光子干涉集成芯片替代除主镜外的其他所有光学部组件，大大简化传统成像方式，将传统光学系统中除主镜、探测器外的其他所有光学部组件，集成到单个氮化硅光子干涉集成芯片上，实现超轻小、宽谱段、低损耗、超精细光谱成像。
(3)本发明的成像方法是超轻小型、高分辨率成像方法，成像系统体积、重量、功耗是传统光学系统的1/10-1/100，成像系统口径可扩展、构型可重组，且系统集成化程度高、批量化生产、加工周期短、成本低，可适用于未来深空探测任务、构建快速响应空间系统等。
(4)本发明的成像方法采用高效能透镜阵列、光子干涉芯片阵列及探测器阵列，该光谱成像系统口径可扩展、构型可重组，能有效满足深空探测卫星给有效载荷提出的非规则搭载位置、有限体积大小等的苛刻要求，可定制任务所需尺寸、形状的成像系统。
(5)高效能透镜阵列，易于加工、制造，可嵌入式组装，可自共焦、自共相，无需装调。光子干涉集成芯片，可采用标准的印刷加工技术生产，并在加工过程中完成集成和试验，颠覆传统光学加工、制造、检测模式，研制周期可由“年”级降至“星期”级。探测器阵列，采用离散分布的探测器对每路光线进行探测，不需要大规模器件，可以及时、快速获取。
附图说明
图1是根据本发明的实施例的自共相片上干涉光谱成像方法流程图。
图2是根据本发明的实施例的光子集成芯片的示意图。
图3是根据本发明的实施例的高效能透镜阵列的示意图。
图4是根据本发明的实施例的高效能透镜自共相示意图。
具体实施方式
下面结合附图，详细描述本发明的实施例。
本发明提出一种“高效能自共相透镜阵列”、“宽谱段、超精细、低损耗、高精度光子集成”、“高精度光子干涉图像重构”的自共相片上干涉光谱成像方法，如图1所示，自共相片上干涉光谱成像方法包括以下步骤：
S1、根据高效能透镜阵列效能函数确定高效能透镜阵列的分布。
高效能透镜阵列的分布包括高效能透镜整体构型、透镜大小、间距、行夹角、每行高效能透镜数等。将基线对的复相干度作为空间频率分量，并将空间频率分量作为高效能透镜阵列效能函数的输入变量，以确定能够实现全空间频率低冗余覆盖的高效能透镜阵列的分布。
高效能透镜阵列是经过构型与分布优化的透镜阵列，能实现瞬时全空间频率低冗余覆盖。每个透镜对在光子集成芯片中形成长度和方向各异的基线，可实现全空间频率低冗余覆盖，以获取目标在不同空间频率处的信息，并使空间频率的抽样满足图像重构要求。
如图3所示，高效能透镜阵列分布采用高频基线和短频基线相结合的方式，实现全频率采样。该分布方式可采集目标的“低频和高频”信息，冗余度小、频率信息缺失少。通过高效能透镜阵列效能函数来具体确定高效能透镜阵列的分布(包括高效能透镜大小、间距、行夹角、每行高效能透镜数等)。
S2、对高效能透镜进行基于介电润湿效应的电压调节或整体变形，以对入射光进行初步相位调节。
如果高效能透镜是液体透镜，例如介电润湿液体透镜，则利用介电润湿效应，通过对高效能透镜进行电压调节以改变高效能透镜的曲率，从而调节入射光的相位。高效能透镜阵列外观形状未发生变化，内部液体界面形状发生变化，即界面曲率发生变化，以实现入射光线相位调节。
如果高效能透镜是整体变形镜，则通过对高效能透镜进行整体变形以改变高效能透镜的曲率，从而调节入射光的相位。
在示例中，高效能透镜阵列可以是常规透镜，不具备入射光线相位调节能力，或者不存在高效能透镜阵列，则光子干涉集成芯片可具备感光功能以及调相功能，但成像效能较差。
图4是根据本发明的实施例的高效能透镜自共相示意图，如图4所示，高效能透镜是介电润湿液体透镜，利用介电润湿效应，通过电压控制各液体透镜元件的界面面型(即，导电流体和绝缘流体的形状)及位相，使得通过液体透镜阵列的光线达到初步共相位。
S3、通过光子集成芯片使相位调节后的入射光形成基线对，并对基线对进行干涉以形成干涉成像。
入射光通过高效能透镜调相后，进入光子干涉集成芯，在光子干涉集成芯片内进行分束、分谱段、相移、干涉后，形成干涉条纹。
如图2所示，光子集成芯片包括功分器、波分复用器、移相单元、高隔离度光路交叉单元和相干单元，每个功分器接收一个高效能透镜的相位调节后的入射光，通过功分器将相位调节后的入射光按照功率分为多个支路，每个支路通过波分复用器按照光谱分为多个波段的光波信号，多个波段的光波信号分别进入多个移相单元进行精调相位，随后进入高隔离度光路交叉单元，不同支路的相同波段的光波信号在高隔离度光路交叉单元中组成基线对，并进入同一相干单元进行干涉，相干单元将干涉后的光信号输出至探测器阵列，以形成干涉成像。
其中，功分器将透过高效能透镜的光线等功率分束，形成多个支路，随后波分复用器按照光谱分为多个波段的光波信号，不同波段的光波信号分别进入移相单元，移相单元通过温度调节来改变波导的有效折射率，从而实现对光波信号的精调相位。随后，在高隔离度光路交叉单元中，相同波段的光波信号组成基线对，基线对进入相干单元，在本发明的实施例中，隔离度光路交叉单元通过优化隔离区的光波导截面几何尺寸以及绝热过度波导来实现防止光波信号间光场串扰。通过将原有波导的光场模场分布绝热变换传输至交叉区，从而实现高隔离度的光交叉结构，合光波导走线的交叉可相互不影响，且可大大灵活布置光路，降低芯片面积。基线对在相干单元中干涉后，在探测器阵列上形成干涉条纹。在本发明的实施例中，基线对的复相干度可从干涉条纹间获取，利用复相干度作为高效能透镜阵列效能函数的输入变量，来确定高效能透镜阵列的分布，从而实现全空间频率低冗余覆盖，即干涉条纹频段覆盖全空间频率段，并且各干涉条纹之间的冗余度低。
S4、提取所述干涉成像的干涉条纹的信息。
干涉条纹的信息包括干涉条纹的相位信息和振幅信息等光学特性信息，在信息提取过程中，通过高效能透阵列和光子集成芯片进行成像时会得到大量干涉成像，在干涉条纹处理过程中会形成大量数据，这些数据具备数据量大、稀疏性高、有一定的冗余度等特点。
S5、根据所述干涉条纹的信息，使用高精度光子干涉图像重构方法获得高分辨率图像和光谱图像。
高精度光子干涉图像重构方法用于处理大量干涉条纹数据，并利用这些数据重构目标高分辨率图像和光谱图像。利用高精度光子干涉图像重构方法对大量稀疏数据进行处理，并进行傅里叶逆变换，可获得高分辨率图像和光谱图像。
实施例
采用本发明提出的超轻小高分辨率自共相片上干涉光谱成像方法，可实现500-700nm谱段成像，光谱分辨率5nm，并且成像器件的体积、重量、功耗是传统光学系统的1/10-1/100。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
Claims (10)
1.一种自共相片上干涉光谱成像方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、根据透镜阵列效能函数确定透镜阵列的分布；
S2、透镜利用介电润湿效应或整体变形对入射光进行初步相位调节；
S3、通过光子集成芯片使初步相位调节后的入射光形成基线对，并对基线对进行精确相位调整后使其发生干涉以形成干涉成像；
S4、提取所述干涉成像的信息；
S5、根据所述干涉成像的信息，使用光子干涉图像重构方法获得目标数字图像和光谱图像。
2.根据权利要求1所述的自共相片上干涉光谱成像方法，其特征在于，在步骤S1中，透镜阵列的分布包括透镜整体构型、透镜大小、间距、行夹角、每行透镜数。
3.根据权利要求2所述的自共相片上干涉光谱成像方法，其特征在于，将基线对的复相干度作为空间频率分量，并将空间频率分量作为透镜阵列效能函数的输入变量，以确定能够实现全空间频率低冗余覆盖的透镜阵列的分布。
4.根据权利要求1所述的自共相片上干涉光谱成像方法，其特征在于，在步骤S2中，如果透镜是液体透镜，则利用介电润湿效应，通过电压调节改变透镜的曲率，从而初步调节入射光的相位；如果透镜是整体变形镜，则通过对透镜进行整体变形以改变透镜的曲率，从而初步调节入射光的相位。
5.根据权利要求1所述的自共相片上干涉光谱成像方法，其特征在于，在步骤S3中，光子集成芯片包括功分器、波分复用器、移相单元、光路交叉单元和相干单元，每个功分器接收一个透镜的初步相位调节后的入射光，通过功分器将相位调节后的入射光按照功率分为多个支路，每个支路通过波分复用器按照光谱分为多个波段的光波信号，多个波段的光波信号分别进入多个移相单元进行精调相位，随后进入光路交叉单元，不同支路的相同波段的光波信号在光路交叉单元中组成基线对，并进入同一相干单元进行干涉，相干单元将干涉后的光信号输出至探测器阵列，以形成干涉成像。
6.根据权利要求5所述的自共相片上干涉光谱成像方法，其特征在于，所述移相单元通过温度调节来改变波导的有效折射率，从而实现对光波信号的精调相位。
7.根据权利要求5所述的自共相片上干涉光谱成像方法，其特征在于，光路交叉单元用于防止光波信号间光场串扰。
8.根据权利要求5所述的自共相片上干涉光谱成像方法，其特征在于，所述干涉成像为基线对在相干单元中干涉后，在探测器阵列上形成的干涉条纹。
9.根据权利要求1所述的自共相片上干涉光谱成像方法，其特征在于，在步骤S4中，所述干涉条纹的信息包括干涉条纹的相位信息和振幅信息。
10.根据权利要求9所述的自共相片上干涉光谱成像方法，其特征在于，在步骤S5中，光子干涉图像重构方法包括对相位信息和振幅信息进行傅里叶逆变换，以获得目标数字图像和光谱图像。
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