CN110954966A - 基于超透镜阵列的平面光电探测系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于光学成像技术领域，提供了一种基于超透镜阵列的平面光电探测系统，该系统包括沿光路依次设置的由多个平面超透镜组成的辐射状平面超透镜阵列、光子集成回路和信息处理模块；所述平面超透镜阵列用于将入射光分成多个窄波段光束并聚焦；所述光子集成回路用于接收经过平面超透镜阵列的入射光，并对入射光进行相位调整，满足干涉条件；所述信息处理模块，用于基于光子集成回路产生的干涉图像对图像复原，获得高分辨率图像。本系统无需再利用大量的光栅分束器进行分光，光子集成回路的规模减小，整体结构紧凑，集成度高；同时降低了损耗、能量利用率高；进一步，能够极大的降低遥感载荷的尺寸、重量。

Description

基于超透镜阵列的平面光电探测系统

技术领域

本发明属于光学成像技术领域，尤其涉及一种基于超透镜阵列的平面光电探测系统。

背景技术

在天文观测、空间遥感等诸多应用领域，为探测到更暗、更小、更远的目标，对空间望远镜探测能力的要求也越来越高。传统望远镜空间分辨能力的持续提升遇到了技术和工程上的瓶颈，难以持续通过增大传统直接成像望远镜口径来提高其空间分辨能力。为解决上述技术问题，本领域技术人员研发了一种基于干涉原理的新型光电探测成像技术，即分块式平面光电探测成像技术(Segmented Planar Imaging Detector for Electro-optical Reconnaissance,SPIDER)，目前，SPIDER采用放射状系统设计形式，以微透镜阵列取代传统大口径光学镜片获取光学信息，避免了大尺寸光学透镜或反射镜的制备与加工，在获得相同分辨率图像的情况下可比传统望远镜缩小10～100倍的尺寸、重量和功耗，该技术有望极大降低遥感载荷的尺寸、质量、功耗和研制周期。

SPIDER中的关键是光子集成回路(PIC)，现有技术中的PIC集成了光波导阵列(Arrayed Waveguide Grating,AWG)、光栅分束器和相位调制器和多模干涉(Multi-ModeInterference,MMI)耦合器等多个部组件，该设计集成方式中，由于集成了大量的波导和光栅分束器，导致结构不紧凑，损耗较高，能量利用率低。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供了一种基于超透镜阵列的平面光电探测系统，以解决现有平面光电探测系统中，由于集成了大量的波导和光栅分束器，导致的结构不紧凑，损耗较高，能量利用率低的技术问题。

本发明实施例提供了一种基于超透镜阵列的平面光电探测系统，包括沿光路依次设置的由多个平面超透镜组成的辐射状平面超透镜阵列、光子集成回路和信息处理模块；所述平面超透镜阵列用于将入射光分成多个窄波段光束并聚焦；所述光子集成回路用于接收经过平面超透镜阵列的入射光，并对入射光进行相位调整，满足干涉条件；所述信息处理模块，用于基于光子集成回路产生的干涉图像对图像复原，获得高分辨率图像。

优选地，所述平面超透镜包括基底、超透镜及离轴菲涅尔透镜；所述超透镜与离轴菲涅尔透镜一体成型，并设置于基底上。

优选地，所述光子集成回路包括沿光路依次设置的波导及相位延迟器；所述波导用于将平面超透镜阵列聚焦后的入射光引导至相位延迟器内；所述相位延迟器用于对波导传输的入射光进行相位调整，使之满足干涉条件。

优选地，所述信息处理模块包括数字信号处理器和图像计算重建模块；所述数字信号处理器用于从相位延迟器产生的相干光中提取信息；所述图像计算重建模块用于结合数字信号处理器所提取的信息对图像进行重建，获得高分辨率图像

优选地，所述基底的材质为半导体。

优选地，所述超透镜的透过率函数为：

式中，m为衍射级次，α为光波周期，λ为入射光的波长，f₀为离轴菲涅尔透镜的主焦距，r为径向坐标，x和y分别为入射光的x轴坐标值及y轴坐标值。

所述离轴菲涅尔透镜的透过率函数为：

式中：rect()是矩形函数，

N为所述离轴菲涅尔透镜的台阶总数，L为所述离轴菲涅尔透镜的位相台阶总数，k表示所述离轴菲涅尔透镜的第k台阶，且k≤L，r_f为位相分布周期。

则同时具有色散分光和聚焦光谱功能的所述平面超透镜的复振幅透过率函数为：

t(x,y)＝f(x,y)g(x,y) (3)

本发明实施例与现有技术相比存在的有益效果是：

本技术方案中，利用平面超透镜将入射光分成多个窄波段光束并聚焦，无需再利用大量的光栅分束器进行分光，光子集成回路的规模减小，使得系统整体结构紧凑，集成度高；同时降低了损耗、能量利用率高；进一步，能够极大的降低遥感载荷的尺寸、重量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的基于超透镜阵列的平面光电探测系统的结构示意图。

具体实施方式

以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。

为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。

本发明的基于超透镜阵列的平面光电探测系统，其结构示意图见图1，该系统仅由平面超透镜阵列1、光子集成回路2和信息处理模块3组成。其中，平面超透镜阵列1是由多个平面超透镜组成的辐射状结构的阵列。本实施例中的平面超透镜是同时具有色散分光和聚焦光谱线功能的分色聚焦型平面超透镜，其是由平面超透镜和离轴菲涅耳透镜一体成型后制作在同一块基底上构成。制作过程为：在轴对称型菲涅耳透镜上偏离中心截取一部分形成离轴菲涅耳透镜，它可使不同波长光束的轴线分开，相互分离地聚焦在原光轴上不同的点，再结合平面超透镜具有超衍射极限的聚焦功能，将两个元件的功能加以融合，将二者制作在同一块基底上，构成同时具有色散分光和聚焦光谱功能的分色聚焦型平面超透镜。

本实施例中光子集成回路2仅由波导21和相位延迟器22构成，既可保证干涉效果，结合平面超透镜阵列，无需使用大量光栅分束器进行分光，使得组成的平面光电探测系统的结构更加紧凑，集成度高；同时降低了损耗、能量利用率高；进一步，能够极大的降低遥感载荷的尺寸、重量。

本实施例中基于超透镜阵列的平面光电探测系统的工作过程为：平面超透镜阵列1收集光信息获取目标光学信息，对应的入射光通过平面超透镜阵列1后分成多个窄波段光束(即图1中所示的λ₁、λ₂、λ₃)并聚焦耦合进光子集成回路2中的波导21中，而后进入相位延迟器22，通过相位延迟器22实现相位调整，使两束光满足干涉条件，再将干涉图像输入到信息处理模块3进行图像重建获得高分辨率图像。其中信息处理模块3包括数字信号处理器和图像计算重建模块；所述数字信号处理器，用于从相位延迟器产生的相干光中提取信息，合成不同空间频率的U-V空间频谱覆盖；所述图像计算重建模块，用于结合数字信号处理器所提取的信息对图像进行重建，获得高分辨率图像。

本实施例的光电探测系统的光场传播模型即入射光从物面到平面超透镜阵列，再由平面超透镜阵列平面到像面的光场传播模型为：

在x,y平面(z＝z₀)上平面波在物面的复振幅分布为：

E₀＝Aexp(2πi(ux+vy)) (4)

其中，A为入射光的振幅，x和y分别为入射光的x轴坐标值及y轴坐标值，u和v分别表示像面处与x和y对应的坐标值。

超透镜的透过率函数为：

式中，m为衍射级次，α为光波周期，λ为入射光的波长，f₀为离轴菲涅尔透镜的主焦距，r为径向坐标，x和y分别为入射光的x轴坐标值及y轴坐标值。

离轴菲涅尔透镜的透过率函数为：

式中：rect()是矩形函数，

N为所述离轴菲涅尔透镜的台阶总数，L为所述离轴菲涅尔透镜的位相台阶总数，k表示所述离轴菲涅尔透镜的第k台阶，且k≤L，r_f为位相分布周期。

将菲涅耳透镜和平面超透镜组合起来，制作在同一块模板上，可构成同时具有色散分光和聚焦光谱功能的分色聚焦型平面超透镜，其复振幅透过率函数为：

t(x,y)＝f(x,y)g(x,y) (7)

光线经平面超透镜阵列传播后可得：

E′₀＝E′₀·t(x,y) (8)

光线再经过波导和相位调制器传播后可得：

式中，

为光线在波导传输中产生的相位延迟。

设I₁和I₂为光子集成回路输出的两束干涉光线的光强，则发生干涉后，叠加在该点的光振幅为：

其中，cosσ表示相位差，光程差σ＝2π/λ。

本实施例利用平面超透镜将入射光分成多个窄波段光束并聚焦，无需再利用大量的光栅分束器进行分光，光子集成回路的规模减小，使得系统整体结构紧凑，集成度高；同时降低了损耗、能量利用率高；进一步，能够极大的降低遥感载荷的尺寸、重量。

以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于超透镜阵列的平面光电探测系统，其特征在于，包括沿光路依次设置的由多个平面超透镜组成的辐射状平面超透镜阵列、光子集成回路和信息处理模块；所述平面超透镜阵列用于将入射光分成多个窄波段光束并聚焦；所述光子集成回路用于接收经过平面超透镜阵列的入射光，并对入射光进行相位调整，满足干涉条件；所述信息处理模块，用于基于光子集成回路产生的干涉图像对图像复原，获得高分辨率图像。

2.如权利要求1所述的基于超透镜阵列的平面光电探测系统，其特征在于，所述平面超透镜包括基底、超透镜及离轴菲涅尔透镜；所述超透镜与离轴菲涅尔透镜一体成型，并设置于基底上。

3.如权利要求1所述的基于超透镜阵列的平面光电探测系统，其特征在于，所述光子集成回路包括沿光路依次设置的波导及相位延迟器；所述波导用于将平面超透镜阵列聚焦后的入射光引导至相位延迟器内；所述相位延迟器用于对波导传输的入射光进行相位调整，使之满足干涉条件。

4.如权利要求1所述的基于超透镜阵列的平面光电探测系统，其特征在于，所述信息处理模块包括数字信号处理器和图像计算重建模块；所述数字信号处理器用于从相位延迟器产生的相干光中提取信息；所述图像计算重建模块用于结合数字信号处理器所提取的信息对图像进行重建，获得高分辨率图像。

5.如权利要求2所述的基于超透镜阵列的平面光电探测系统，其特征在于，所述基底的材质为半导体。

6.如权利要求2所述的基于超透镜阵列的平面光电探测系统，其特征在于，所述超透镜的透过率函数为：

式中，m为衍射级次，α为光波周期，λ为入射光的波长，f₀为离轴菲涅尔透镜的主焦距，r为径向坐标，x和y分别为入射光的x轴坐标值及y轴坐标值；

所述离轴菲涅尔透镜的透过率函数为：

式中：rect()是矩形函数，

N为所述离轴菲涅尔透镜的台阶总数，L为所述离轴菲涅尔透镜的位相台阶总数，k表示所述离轴菲涅尔透镜的第k台阶，且k≤L，r_f为位相分布周期；

则同时具有色散分光和聚焦光谱功能的所述平面超透镜的复振幅透过率函数为：

t(x,y)＝f(x,y)g(x,y) (3)。

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