CN110307781B - 干涉成像系统 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种干涉成像系统，包括依次连接的光场离散部件、离散光场干涉部件以及图像重构部件。该光场离散部件包括至少一个线性微镜阵列，该线性微镜阵列包括多个微镜，多个微镜按照预设干涉基线设计方案两两配对构成微镜对，每个微镜对中两个微镜的间距为干涉基线长度，所述预设干涉基线设计方案，涵盖了长度为最短干涉基线长度整数倍数的全部干涉基线，因此，采用本方案中的干涉基线设计方案的干涉成像系统扩大了频域空间的覆盖面积，从而减少了频域信息的丢失，提高了重构图像的质量。

Description

干涉成像系统
技术领域
本申请涉及微纳光电子集成领域，特别涉及一种干涉成像系统。
背景技术
传统光学望远镜的基本设计原理仍基于光学折射原理，通过透镜堆叠将观察对象放大。受传统光学成像原理的限制，基于折射的光学望远镜要想观测效果更好，只能将主透镜做的更大更笨重。干涉成像系统则由一系列微小的光电透镜单元(简称：微镜)以阵列组合在平面上，与传统的折射式光学望远镜不同，干涉成像系统利用“干涉测量法”基本原理，结构中既有微小的光学透镜阵列，也有电子元件参与分析，阵列中每个微透镜收集的光会互相干涉，通过电子元件分析干涉图形的振幅和相位，生成超高分辨率的图像。干涉成像系统能够像傻瓜相机一样记录成像，无需考虑焦距，对焦这些因素，能够将光学望远镜设计从光学透镜堆叠变革成微型光子集成芯片，同等成像质量的仪器能够大大缩小体积。
根据干涉成像系统的设计原理，获得高质量图像的关键在于获取物像在频域空间连续、完整的信息：低频部分描述物体轮廓，而高频部分对应图像细节。实践中，干涉成像系统的集成电路板上的微镜两两配对，每对的间距定义了干涉基线，其长度与空间频率成正比，因此能够获得的频域空间中的频率是离散的。受制于有限的微镜数目，在一块集成电路板上同时获得高、中、低频信息具有非常大的挑战。
现有技术中未对频率分布进行优化设计，因此在波长范围较窄时，频率空间中低频区将会出现空隙。针对此频率间隙，通过调整干涉基线的长度，在频谱宽度适中的情况下进行了修正，但窄波段成像问题仍然未解决。另一种方法中，为了获得最佳的图像质量，分析了特定物体在频域空间的强度分布，获得最重要的频率分布区间，然后反馈到设计，最后调整干涉基线长度来优化物体成像，但动态调整干涉基线长度的技术难度较大。
现有技术在单一波段时，只能实现部分干涉基线：均匀分布的基线设计方案中，每两个干涉基线之间就有一个干涉基线缺失，即干涉基线密度仅为最大密度的一半；而其它方案，大多采取侧重某一频段的方法来提高局部干涉基线密度，同时大幅降低其它频段的干涉基线密度。前者对频域的低密度覆盖不能获取最佳图片质量，而后者仅仅对特定的目标物体有效，缺少目标对象的普适性和应用的灵活性。因此，如何扩大频域空间的覆盖面积，减少频域信息的丢失以提高重构图像的质量，是本领域亟需解决的技术问题。
发明内容
本申请的目的在于提供一种干涉成像系统，以扩大频域空间的覆盖面积，减少频域信息的丢失，提高重构图像的质量。
本申请提供一种干涉成像系统，包括：
依次连接的光场离散部件、离散光场干涉部件以及图像重构部件；
所述光场离散部件包括至少一个线性微镜阵列，所述线性微镜阵列包括多个微镜，所述多个微镜按照预设干涉基线设计方案两两配对构成微镜对，每个微镜对中两个微镜的间距为干涉基线长度；其中，所述预设干涉基线设计方案中包括长度为最短干涉基线长度整数倍数的全部干涉基线；
所述光场离散部件，用于通过所述至少一个线性微镜阵列采集目标物体的离散光场，并通过波导将所述离散光场传输至所述离散光场干涉部件；
所述离散光场干涉部件，用于将各微镜对中两个微镜采集的离散光场进行干涉，采集对应的干涉信息，并将所述干涉信息传输至所述图像重构部件；
所述图像重构部件，用于根据所述干涉信息重构所述目标物体的图像。
在一种可能的实现方式中，在本申请提供的上述干涉成像系统中，所述光场离散部件包括一个线性微镜阵列；
所述预设干涉基线设计方案包括：将所述线性微镜阵列之后的每个波导的离散光场分为两组，以使所述离散光场分别与其它两个不同位置波导中的离散光场进行干涉；其中，一组干涉基线的长度为最短基线的奇数倍，另一组干涉基线的长度为最短基线的偶数倍。
在一种可能的实现方式中，在本申请实施例提供的上述干涉成像系统中，所述光场离散部件包括两个线性微镜阵列，分别为第一线性微镜阵列和第二线性微镜阵列；
所述预设干涉基线设计方案包括：将所述第一线性微镜阵列中微镜对的干涉基线长度设计为最短基线的奇数倍；将所述第二线性微镜阵列中微镜对的干涉基线长度设计为最短基线的偶数倍。
在一种可能的实现方式中，在本申请实施例提供的上述干涉成像系统中，所述光场离散部件包括两个线性微镜阵列，分别为第三线性微镜阵列和第四线性微镜阵列；
所述预设干涉基线设计方案包括：将所述第三线性微镜阵列中微镜对的干涉基线长度设计为侧重于低频信息的短基线长度的连续分布；将所述第四线性微镜阵列中微镜对的干涉基线长度设计为侧重于高频信息的长基线长度的连续分布。
在一种可能的实现方式中，在本申请实施例提供的上述干涉成像系统中，所述图像重构部件，具体用于将所述干涉信息转换为电信号，并根据所述电信号，通过反傅里叶变换重构所述目标物体的图像。
在一种可能的实现方式中，在本申请实施例提供的上述干涉成像系统中，所述干涉信息包括干涉相位和干涉强度。
与现有技术相比，本申请提供的干涉成像系统，包括依次连接的光场离散部件、离散光场干涉部件以及图像重构部件。该光场离散部件包括至少一个线性微镜阵列，该线性微镜阵列包括多个微镜，多个微镜按照预设干涉基线设计方案两两配对构成微镜对，每个微镜对中两个微镜的间距为干涉基线长度。所述预设干涉基线设计方案，涵盖了长度为最短干涉基线长度整数倍数的全部干涉基线，因此，采用本方案中的干涉基线设计方案的干涉成像系统扩大了频域空间的覆盖面积，从而减少了频域信息的丢失，提高了重构图像的质量。
附图说明
图1是本申请实施例提供的干涉成像系统的结构示意图；
图2是本申请实施例提供的一种干涉基线设计方案的示意图；
图3是本申请实施例提供的另一种干涉基线设计方案的示意图；
图4是本申请实施例提供的再一种干涉基线设计方案的示意图；
图5是本申请实施例提供的不同干涉基线设计方案模拟结果的对比示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本申请的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本申请的保护范围并不受具体实施方式的限制。
除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。
下面以光子集成芯片对本申请提供的干涉成像系统进行示例。
图1为本申请实施例提供的干涉成像系统的结构示意图，如图1所示，该干涉成像系统包括：依次连接的光场离散部件110(Part1)、离散光场干涉部件120(Part2)以及图像重构部件130(Part3)。
如图1所示，所述光场离散部件110包括至少一个线性微镜阵列，所述线性微镜阵列包括多个微镜，所述多个微镜按照预设干涉基线设计方案两两配对构成微镜对，每个微镜对中两个微镜的间距为干涉基线长度。干涉基线长度与物像的空间频率成正比。系统的微镜尺寸、数量等参数根据任务需求设计。
本实施例中，所述预设干涉基线设计方案中包括长度为最短干涉基线长度整数倍数的全部干涉基线。例如，最短干涉基线的长度为1个单位，则本申请中的预设干涉基线设计方案中包括了1、2、3、4、5等连续分布且为最短干涉基线长度整数倍数的全部干涉基线，干涉基线的总个数依实际需要设定。
本实施例中，光场离散部件110，用于通过线性微镜阵列中的微镜对采集目标物体的离散光场，并通过波导将所述离散光场传输至所述离散光场干涉部件120；
本实施例中，离散光场干涉部件120，用于将各微镜对中两个微镜采集的相距为对应干涉基线长度的离散光场进行干涉，采集对应的干涉信息，并将所述干涉信息传输至所述图像重构部件；全部透镜对同时成像，形成完整干涉图像，可以通过四象限法来提取其中的干涉信息，该干涉信息包括干涉相位和干涉强度，如图1中所示的干涉相位I(t)和干涉强度Q(t)。
本实施例中，图像重构部件130，用于根据所述干涉信息重构所述目标物体的图像。具体的，该图像重构部件将所述干涉信息转换为电信号，并根据所述电信号，通过反傅里叶变换重构所述目标物体的图像。如图1所示，实际应用中可以通过ADC(Analog-to-Digital Converter，模数转换器)将干涉信息转换为电信号，最后由数字信号处理器进行反傅里叶变换重构所述目标物体的图像。
可见，本申请先是利用含波导结构的光学系统对物平面目标进行空间频域相干采样,然后经图像处理对频域图像进行傅里叶逆变换，从而恢复目标图像。本申请中由于预设干涉基线设计方案中包括长度为最短干涉基线长度整数倍数的全部干涉基线，扩大了频域空间的覆盖面积，从而减少了频域信息的丢失，提高了重构图像的质量。
根据不同的应用需求，本申请提供了多种最大程度覆盖频域空间频率的干涉基线设计方案。
一种实施方式中，所述光场离散部件110包括一个线性微镜阵列；该预设干涉基线设计方案包括：将所述线性微镜阵列之后的每个波导的离散光场分为两组，以使所述离散光场分别与其它两个不同位置波导中的离散光场进行干涉；其中，一组干涉基线的长度为最短基线的奇数倍，另一组干涉基线的长度为最短基线的偶数倍。
实际应用中，如图2所示，以6个微镜为例，将每个微镜收集的光场平均分成两份。按以下方式配对：(1，6)，(1，5)，(2，5)，(2，4)，(3，4)，所得到的基线长度分别为5，4，3，2，1。这种配对使光子集成芯片的基线长度包含了所有最短基线的整数倍数的干涉基线，实现了频域空间频率全覆盖。
另一种实施方式中，所述光场离散部件110包括两个线性微镜阵列，分别为第一线性微镜阵列和第二线性微镜阵列；则该预设干涉基线设计方案包括：将所述第一线性微镜阵列中微镜对的干涉基线长度设计为最短基线的奇数倍；将所述第二线性微镜阵列中微镜对的干涉基线长度设计为最短基线的偶数倍。
实际应用中，如图3所示，仍以6个微镜为例，其中一个线性微镜阵列按照(1，6)，(2，5)，(3，4)的配对方式，形成的干涉基线长度是最短基线长度的奇数倍，如图所示的1、3、5。另一个线性微镜阵列按照(2，6)和(3，5)的配对方式，形成的干涉基线长度是最短基线长度的偶数倍，如图所示的2、4。实际应用中，可以通过两个光子集成芯片组成一组，实现了频域空间频率全覆盖。
再一种实施方式中，所述光场离散部件110包括两个线性微镜阵列，分别为第三线性微镜阵列和第四线性微镜阵列；则该预设干涉基线设计方案包括：将所述第三线性微镜阵列中微镜对的干涉基线长度设计为侧重于低频信息的短基线长度的连续分布；将所述第四线性微镜阵列中微镜对的干涉基线长度设计为侧重于高频信息的长基线长度的连续分布。
实际应用中，如图4所示，以12个微镜为例，其中一个线性微镜阵列侧重于高频信息及长基线长度的分布，按照(2，12)，(1，10)，(3，11)，(4，9)，(5，8)，(6，7)的配对方式，形成的基线长度是1，3，5，8，9，10。其中针对高频信息的长基线长度连续。另一个线性微镜阵列侧重于低频信息及短基线长度的分布，按照(1，11)，(2，10)，(3，6)，(4，5)，(7，9)，(6，7)和(8，12)的配对方式，形成的干涉基线长度是1，2，3，4，8，10。其中针对低频信息的短基线长度连续。实际应用中，通过两个光子集成芯片组成一组，实现了高、低频信息的收集。
表1：干涉基线设计方案的模拟参数表。
Figure BDA0002075655440000061
其中，波长代表成像波长，物像间距指物平面与像平面之间的距离。微镜直径指微镜阵列中每个单元微镜的直径。最长基线是一个光子集成芯片(PIC)中，两个微镜的最大间距。每个PIC微镜数是一个光子集成芯片中的微镜数。PIC总数是一个干涉成像系统中包含的总光子集成芯片数。
图5示出了不同的干涉基线设计方案模拟结果。本申请中定义干涉成像系统获得频域信息的过程为频域过滤，即通过频域滤镜从目标物体连续分布的频域图像中，抓取离散的、有限的频率格点处的强度和相位信息。如图5中，第一行是频域滤镜的分布图，轴向分布形式由光子集成芯片数目和轴向分布决定；径向分布形式由微镜配对方式决定。第二行是被成像物(第一列)和重构像(二-六列)的整体轮廓图，以显示低频信息为主。第三行是被成像物(第一列)和重构像(二-六列)的细节放大图，以显示高频信息为主。对比可见，对于获得飞机的整体轮廓，方案一到三没有太大区别。对于获得飞机上的细节信息(标志BOEING)，方案一最优，方案二次之，因为方案二需要两个光子集成芯片结合才能实现频域空间最大程度的频率覆盖，而方案一一个光子集成芯片就能实现，这样方案一的有效光子集成芯片总数是方案二的两倍。方案三也是两个PIC构成一组，分别注重高、低频信息采集。相比方案一和二，方案三成像质量差一些。倒数第二列每个光子集成芯片中微镜配对方式以获取低频信息为主，所以飞机的整体轮廓图清晰，但是细节清晰度最差。最后一列每个光子集成芯片中微镜配对方式以获取高频信息为主，得到的细节信息较清楚，但是整体轮廓图最粗糙。
可见，图5从右到左的五种方案在扩大成像物体类型方面，能力依次递增，提供了与实际需求对应的多种选择，具有目标对象的普适性和应用的灵活性。
前述对本申请的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本申请限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本申请的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本申请的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本申请的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。

Claims (3)

1.一种干涉成像系统，其特征在于，包括：依次连接的光场离散部件、离散光场干涉部件以及图像重构部件；
所述光场离散部件包括至少一个线性微镜阵列，所述线性微镜阵列包括多个微镜，所述多个微镜按照预设干涉基线设计方案两两配对构成微镜对，每个微镜对中两个微镜的间距为干涉基线长度；其中，所述预设干涉基线设计方案中包括长度为最短干涉基线长度整数倍数的全部干涉基线；
所述光场离散部件，用于通过所述至少一个线性微镜阵列采集目标物体的离散光场，并通过波导将所述离散光场传输至所述离散光场干涉部件；
所述离散光场干涉部件，用于将各微镜对中两个微镜采集的离散光场进行干涉，采集对应的干涉信息，并将所述干涉信息传输至所述图像重构部件；
所述图像重构部件，用于根据所述干涉信息重构所述目标物体的图像；
所述光场离散部件包括一个线性微镜阵列；
所述预设干涉基线设计方案包括：将所述线性微镜阵列之后的每个波导的离散光场分为两组，以使所述离散光场分别与其它两个不同位置波导中的离散光场进行干涉；其中，一组干涉基线的长度为最短基线的奇数倍，另一组干涉基线的长度为最短基线的偶数倍。
2.根据权利要求1所述的干涉成像系统，其特征在于，所述图像重构部件，具体用于将所述干涉信息转换为电信号，并根据所述电信号，通过反傅里叶变换重构所述目标物体的图像。
3.根据权利要求1-2任一项所述的干涉成像系统，其特征在于，所述干涉信息包括干涉相位和干涉强度。
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