CN112946789A - 一种基于超透镜阵列与光子集成芯片干涉平板成像系统 - Google Patents

一种基于超透镜阵列与光子集成芯片干涉平板成像系统 Download PDF

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Abstract

本发明适用于光学成像领域，公开了一种基于超透镜阵列与光子集成芯片干涉平板成像系统，包括超透镜阵列、光子集成芯片和信息处理模块，超透镜阵列包括第一基板和若干个刻蚀在第一基板上的超透镜阵列，光子集成芯片包括第二基板、光栅阵列、波分解复用结构、频谱信号解算结构和光电探测器，光栅阵列用于将垂直或者有一定偏角照射的入射光波转换到水平输出，经过超透镜汇聚的光波耦合入光栅阵列后通过波分解复用结构和频谱信号解算结构实现分频、相位调整以满足干涉条件，光电探测器获取解算频谱信号的光强信号并将光强信号转换为电信号，信息处理模块对电信号解算可以得到频域信息，并对频域信息进行算法重构，即可得到成像质量较高的重建图像。

Description

一种基于超透镜阵列与光子集成芯片干涉平板成像系统
技术领域
本发明涉及光学成像技术领域，尤其涉及一种基于超透镜阵列与光子集成芯片干涉平板成像系统。
背景技术
现有技术中，普通基于精确折光原理的成像系统由成像物镜组和光电转换器件阵列构成，物体光进入成像物镜组，形成的像由光电转换器件阵列接收，从而得到物体图像，通过成像系统可实时记录和观测物体形貌。传统光学望远镜的基本设计原理仍基于精确折光的设计理念，受衍射极限约束，为提高分辨率，必须增大系统口径，为实现更高的分辨率传统空间望远镜的体积、重量将极其庞大。例如哈勃空间望远镜主镜口径为2.4m，JWST望远镜采用拼接主镜为6m，正在论证的ATLAST望远镜将达到惊人的8m口径。其发射成本和在轨维护难度具有极大的挑战性。
光波干涉是一种基本的光学物理现象，光学干涉测量是通过产生相干的两路光，一路作为参考光，一路作为测量光，参考光照射到位置固定的参考反射镜，测量光照射到被测对象，由参考反射镜反射回的参考光与被测对象反射回的物光光波叠加发生干涉，干涉条纹反映两路光光程差信息，从而根据干涉条纹的变化获得被测对象的特征信息。
在Richard L.Kendrick等人提出了一种用于光电侦察的分段平面成像探测器(Segmented Planar Imaging Detector for Electro-optical Reconnaissance，SPIDER)的概念中，即是干涉成像的一种形式，Richard L.Kendrick等人采用在光子集成芯片前段放置小透镜，其光路的共相调整难度大，每个小透镜的都有6个调整的自由度，实现干涉成像往往需要大量用来进行两两干涉的小透镜，因此其调整难度很大，急需一种容易进行调节的且可以提供聚光功能的器件代替分立的小透镜。而且，SPIDER采用端面耦合的形式其对空间光对准波导的角度精度以及位置精度要求很高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于超透镜阵列与光子集成芯片干涉平板成像系统，其旨在解决的技术问题。
为达到上述目的，本发明提供的方案是：
一种基于超透镜阵列与光子集成芯片干涉平板成像系统，包括超透镜阵列、光子集成芯片和信息处理模块，所述超透镜阵列包括第一基板以及若干个刻蚀在所述第一基板上的超透镜列，每个所述超透镜列包括若干个超透镜，所述光子集成芯片包括第二基板以及集成在所述第二基板上的光栅阵列、波分解复用结构、频谱信号解算结构和光电探测器，所述超透镜阵列、所述光栅阵列、所述波分解复用结构、所述频谱信号解算结构和所述光电探测器沿光路依次设置，所述超透镜阵列用于将入射光波汇聚，所述光栅阵列用于将垂直或者有一定偏角照射的入射光波转换到水平输出，经过所述超透镜汇聚的光波耦合入所述光栅阵列后通过所述波分解复用结构和所述频谱信号解算结构实现分频、相位调整以满足干涉条件，所述光电探测器用于获取所述频谱信号解算结构输出的光强信号并将所述光强信号转换为电信号，所述信息处理模块用于接收所述电信号并对所述电信号进行算法重构后输出重建图像。
优选地，若干个所述超透镜列呈辐射状分布在所述第一基板，所述光栅阵列位于所述超透镜阵列的后端。
优选地，所述光子集成芯片还包括背板，所述第二基板固定在所述背板上。
优选地，所述频谱信号解算结构包括移相结构和波导耦合结构，所述波分解复用结构用于将宽谱段入射光波转换为多个准单色光输出，多个准单色光输出通过所述波导耦合结构和所述移相结构移相以满足干涉条件。
进一步地，径向上两个不同中心位置的所述超透镜得到准单色光的光信号输入到同一个频谱信号解算结构，所述频谱信号解算结构输出四个具有不同相位差的光强信号Ik(k＝1,2,3,4)，所述光电探测器接收所述光强信号并转换为电信号输出，则有以下公式：
Ik＝|Mk|2＝S2+L2+2SL cos[(φS-φL)+Φk]
其中，Mk为矢量，Mk表示光子集成芯片输出的振幅，S，φS表示其中一个输入波导的幅值和相位，L，φL表示另一个输入波导的幅值和相位，Φk表示光子集成芯片引入的相位差，
Figure BDA0002923981520000031
优选地，所述信息处理模块接收所述光电探测器输出的电信号，并通过ABCD算法解算以得到采样的频域信息，且所述信息处理模块根据解算得到的采样的频域信息以及根据所述超透镜排布方式确定的频域信号采样函数进行计算处理得到观测目标估计值后根据所述观测目标值输出重建图像。
优选地，若干个所述超透镜列呈辐射状分布，定义λ为成像波长，z为物体平面到超透镜平面的距离，D1,D2分别表示两个超透镜的中心坐标，D1-D2为径向上两个不同的超透镜中心位置之差，即基线B，则观测目标频率采样表示为空间频率f与基线B的关系，即
f＝λz/(D1-D2)
＝λz/B
定义观测目标Iobject(α')通过傅里叶变换即可得到频域分布信息，则
V(f)＝FT{Iobject(α')}
其中，空间频率f表示频域坐标，α'表示空域坐标；
定义H(f)为空间频率f处的对频谱信息的采样权重，则观测目标的频域信号采样方式为：
Figure BDA0002923981520000032
其中，向量形式
Figure BDA0002923981520000041
即可表示观测目标的频域信号采样函数，
Figure BDA0002923981520000042
表示空间频率f方向上的单位向量。
优选地，所述信息处理模块接收所述光电探测器输出的电信号，并通过ABCD算法解算以得到采样的频域信息，即，光强信号Ik(k＝1,2,3,4)通过ABCD方法解算可得到空间频率f对应的频域信号V(f)，即
V(f)＝abs{V(f)}exp(i·arg{V(f)})
则频域信息矢量表示为
Figure BDA0002923981520000043
其中，abs{V(f)}和arg{V(f)}分别为
Figure BDA0002923981520000044
Figure BDA0002923981520000045
其中，abs{V(f)}表示频谱信号V(f)的幅值部分，arg{V(f)}表示频谱信号V(f)的相位部分，i表示虚数单位，方向与空间频率f同向，
Figure BDA0002923981520000046
表示与f同向的单位向量。
优选地，所述信息处理模块根据解算得到的采样的频域信息以及根据所述超透镜排布方式确定的频域信号采样函数进行计算处理得到观测目标估计值后根据所述观测目标值输出重建图像，采用如下公式：
J＝α·χ2+β·P
Figure BDA0002923981520000047
Figure BDA0002923981520000048
Vsample＝V(f)＝abs{V(f)}exp(i·arg{V(f)})
其中，α，β表示各项的系数；P为惩罚函数；
Figure BDA0002923981520000049
表示对矩阵M中的所有元素求平方和，即
Figure BDA0002923981520000051
表示对观测目标的估计值，A表示系统对观测目标的降质作用，Vsample表示采样得到的频域信息；当J的值收敛到最小值，即可得
Figure BDA0002923981520000052
进一步地，定义观测目标的估计值
Figure BDA0002923981520000053
用X表示，P采用最大熵惩罚函数，并增加总功率限制，则
Figure BDA0002923981520000054
Figure BDA0002923981520000055
其中，αij，aij，xij，vij sample，β'ij，β”ij表示α，A，X，Vsample，β'，β”的分量。
本发明提供的基于超透镜阵列与光子集成芯片干涉平板成像系统具有以下优点：
第一，其基于超透镜阵列与光子集成芯片干涉来实现成像，大大降低了芯片与透镜阵列之间光路调整调整量，从而减小光路调整难度和提高了调整精度，从而能够提高成像质量，而且，超透镜列刻画在同一基板上，其刻画的每个超透镜的位置精度较高，光栅阵列、波分解复用结构、频谱信号解算结构和光电探测器集成在同一基板上，这样设计，大大提升了成像系统的集成度，大大缩减了系统长度，有利于提升系统的稳定性。
第二，采用了垂直转水平的耦合方式(VHC，vertical-to-horizontalconverter)，能够将垂直或者有一定偏角照射的入射光波转换到水平输出，可以降低空间光耦合入芯片的对光难度，还可以大大压缩系统的长度，依靠超薄的超透镜阵列和光子集成芯片即可完成成像，从而实现平板成像。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，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的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的基于超透镜阵列与光子集成芯片干涉平板成像系统的流程图；
图2是本发明实施例提供的光子集成芯片的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的单个超透镜后端光路示意图；
图4是本发明实施例提供的单个超透镜后焦面结构；
图5是本发明实施例提供的光栅阵列中单个光栅的结构示意图；
图6是本发明实施例提供的光路模型图；
图7是本发明实施例提供的超透镜与光子集成芯片的结构示意图；
图8是本发明实施例提供的频谱信号解算结构示意图；
图9是本发明实施例提供的频谱信号解算结构和光电探测器的组合示意图；
图10(a)、(b)、(c)是本发明实施例提供的仿真的观测目标重建结果。
附图标号说明：
10、超透镜阵列；11、第一基板；12、超透镜列；
20、光子集成芯片；21、光栅阵列；22、波分解复用结构；23、频谱信号解算结构；231、移相结构；232、波导耦合结构；24、光电探测器；25、第二基板；26、背板；
30、信息处理模块。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
还需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件上时，它可以直接在另一个元件上或者可能同时存在居中元件。当一个元件被称为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接另一个元件或者可能同时存在居中元件。
另外，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
本发明实施例的平板成像系统是基于超透镜阵列与光子集成芯片干涉来实现的，超透镜是指一类通过人工设计结构实现，具有天然材料无法具备的超常物理特性的材料。“超材料”构成的薄层就是超表面(metasurface)，它能对入射光的振幅、相位、偏振等进行灵活的调控，具有强大的光场操控能力。超表面，既具有强大的光场操控能力，同时又是一种非常薄的超材料，所以可制作成超薄的平面超透镜，超透镜可以提供和小透镜一样光纤汇聚能力，而且可以在同一个基板上刻蚀超透镜阵列的形式，其刻画的每个超透镜的位置精度较高，可以达到百纳米精度；基板的面型误差可以控制在十纳米量级，基板厚度误差可以在控制百纳米精度，基板的一些误差可以在制作超透镜之前进行一定的标定消除，可以满足干涉成像使用。
请参阅图1-9，本发明实施例提供的一种基于超透镜阵列10与光子集成芯片20干涉平板成像系统，包括超透镜阵列10、光子集成芯片20和信息处理模块30，超透镜阵列10包括第一基板11以及若干个刻蚀在第一基板11上的超透镜列12，每个超透镜列12包括若干个超透镜，光子集成芯片20包括第二基板25以及集成在第二基板25上的光栅阵列21、波分解复用结构22、频谱信号解算结构23和光电探测器24，超透镜阵列10、光栅阵列21、波分解复用结构22、频谱信号解算结构23和光电探测器24沿光路依次设置，超透镜阵列10用于将入射光波汇聚，光栅阵列21用于将垂直或者有一定偏角照射的入射光波转换到水平输出，经过超透镜汇聚的光波耦合入光栅阵列21后通过波分解复用结构22和频谱信号解算结构23实现分频、相位调整以满足干涉条件，光电探测器24用于获取频谱信号解算结构23输出的光强信号(即观测目标的频域信息解算信号)并将光强信号转换为电信号，信息处理模块30用于接收电信号并对电信号进行算法重构后输出重建图像。
本实施例的平板成像系统成像过程具体如下：
事先设计好超透镜阵列10的排布方式并确定观测目标的频域信号采样函数；
获取观测目标的频域信息解算信号，具体为：利用超透镜阵列10接收从观测目标发出的入射光波，超透镜阵列10将入射光波汇聚后耦合入超透镜阵列10后端对应的光子集成芯片20，光子集成芯片20接收经过超透镜阵列10的入射光波，并对入射光波进行相位调整后输出观测目标的频域信息解算信号；
信息处理模块30解算观测目标的频域信息解算信号以得到采样的频域信息；
信息处理模块30根据得到的频域信号采样函数和采样的频域信息恢复观测目标并通过恢复的观测目标重建图像。
本实施例的平板成像系统具有以下优点：
第一，其基于超透镜阵列10与光子集成芯片20干涉来实现成像，大大降低了芯片与超透镜阵列10之间光路调整调整量，从而减小光路调整难度和提高了调整精度，从而能够提高成像质量，而且，超透镜列12刻画在同一基板上，其刻画的每个超透镜的位置精度较高，光栅阵列21、波分解复用结构22、频谱信号解算结构23和光电探测器24集成在同一基板上，这样设计，大大提升了成像系统的集成度，大大缩减了系统长度，有利于提升系统的稳定性。
第二，空间光耦合如波导的一般有两种形式：端面耦合以及垂直转水平耦合(VHC，vertical-to-horizontal converter，是一种片上光栅结构：Surface Grating，可以将垂直或者有一定偏角照射的光转换到水平输出，如图3所示)，SPIDER采用端面耦合的形式其对空间光对准波导的角度精度以及位置精度要求很高，本发明实施例的平板成像系统采用了垂直转水平的耦合方式(VHC，vertical-to-horizontal converter)，能够将垂直或者有一定偏角照射的入射光波转换到水平输出，可以降低空间光耦合入芯片的对光难度，还可以大大压缩系统的长度，依靠超薄的超透镜阵列10和光子集成芯片20即可完成成像，从而实现平板成像。
第三，采用了超透镜阵列10，即使用多个小口径透镜代替大口径成像系统，利用波导作为导波和光干涉介质，可以大大减小系统的体积、功耗和重量。
请参阅图1-9，不同的超透镜阵列10排布会得到不同的观测目标的频域信号分布，通过合适的设计可以得到较好的频域信息分布，在本实施例中，若干个超透镜列12呈辐射状分布在第一基板11，光子集成芯片20还包括背板26，所述第二基板25固定在背板26上，光栅阵列21位于超透镜阵列10的后端。
定义λ为成像波长，z为物体平面到超透镜平面的距离，D1,D2分别表示两个超透镜的中心坐标，D1-D2为径向上(如图7)两个不同的超透镜中心位置之差，即基线B，则观测目标频率采样表示为空间频率f与基线B的关系，即
f＝λz/(D1-D2)
＝λz/B
定义观测目标Iobject(α')通过傅里叶变换即可得到频域分布信息，则
V(f)＝FT{Iobject(α')}
其中，空间频率f表示频域坐标，α'表示空域坐标；
定义H(f)为空间频率f处的对频谱信息的采样权重，则观测目标的频域信号采样方式为：
Figure BDA0002923981520000101
其中，向量形式
Figure BDA0002923981520000102
即可表示观测目标的频域信号采样函数，
Figure BDA0002923981520000103
表示空间频率f方向上的单位向量。
本实施例为了展示该方法的可行性，选择如图4的超透镜排布方式(采用和Richard L.Kendrick等人提出了一种用于光电侦察的分段平面成像探测器中相同的孔径排布方式)，由于采用离散的超透镜排布，因此频域采样也是离散采样，下面对系统的各个参量进行离散处理，离散表示主要是两个部分，由于波分解复用结构22的存在可以将宽谱段的光转换为多个准单色光输出λn(n＝1,2,3,...,Tn)；每个超透镜阵列10和光子集成芯片20都是按照径向排布，因此干涉基线也是沿着径向的分布，用i(i＝1,2,3,4,...,Ti)表示径向坐标，j(j＝1,2,3,...,Tj)表示横向坐标，则Di'j，Di”j表示径向上两个不同超透镜的中心位置矢量，
Figure BDA0002923981520000104
表示径向上两个不同的超透镜中心位置之差，称为基线(Baseline)，
Figure BDA0002923981520000105
只与i'和i”在第j个径向坐标差值相关，因此
Figure BDA0002923981520000106
也可以写为Bij。由于采用的是两两干涉，因此第j个径向上的基线Bij个数可以达到
Figure BDA0002923981520000107
因此频域得到的空间频率采样可以表示为fkij与基线Bij的关系可以表示为：
Figure BDA0002923981520000108
空间频率fkij是通过Fourier Transform(FT)之后空域坐标与频域坐标的转换关系，也表征观测目标细节信息分布情况；用α'表征空域坐标，观测目标Iobject(α')通过Fourier Transform(FT)即可得到频域分布信息，频域信息可表示为：
V(fkij)＝FT{Iobject(α')}
定义H(fkij)为空间频率fkij处的采样权重，则观测目标的频域信号采样方式为：
Figure BDA0002923981520000111
其中，其向量形式
Figure BDA0002923981520000112
即可表示观测目标的频域采样函数，
Figure BDA0002923981520000113
表示空间频率fkij方向上的单位向量。
请参阅图1-9，频谱信号解算结构23包括移相结构231和波导耦合结构232，波分解复用结构22用于将宽谱段入射光波转换为多个准单色光输出，多个准单色光输出通过波导耦合结构232和移相结构231移相以满足干涉条件。
可选地，移相结构231可以采用片上热调移相或者电调移相技术，波导耦合接口包括Yjunction和X coupler结构来实现对光信号的分光干涉。
径向上两个不同中心位置(对应基线Bij＝Di-Dj)的超透镜得到准单色光的光信号输入到同一个频谱信号解算结构23，频谱信号解算结构23输出四个具有不同相位差的光强信号Ik(k＝1,2,3,4)，每个信号最后被对应光子集成芯片20上的光电探测器24接收，并转换为电信号，即可得到单个空间频率可以得到的四个光强信号Ik(k＝1,2,3,4)。其中Ik(k＝1,2,3,4)表示单个频谱信号解算结构23的光强信号，这些信号对应于确定的基线Bij，波长λk及空间频率f。根据傅里叶光学，可以知道，频域信息是空域信息的傅里叶变换，高空间频率信息代表了目标的细节信息部分，低空间频率信息代表了目标的轮廓信息，低频和高频对成像都很重要，因此需要增加基线Bij数量及波分解复用得到的准单色光λk的个数，来增加对不同空间频率f对应频域信号V(f)的采样，则
Ik＝|Mk|2＝S2+L2+2SL cos[(φS-φL)+Φk]
其中，Mk表示光子集成芯片20输出的振幅，S，φS表示其中一个输入波导的幅值和相位，L，φL表示另一个输入波导的幅值和相位，Φk表示光子集成芯片20引入的相位差，
Figure BDA0002923981520000114
Mk表示矢量，具有数值大小以及方向的量。
可以理解地，远场非相干源的入射光波从观测目标自由传播至超透镜阵列10，这个过程可以应用部分相干理论描述，超透镜上的互谱密度函数(Mutual Spectral DensityFunction,MSDF)可以表示为：
Figure BDA0002923981520000121
其中空间频率为
Figure BDA0002923981520000123
α'表示观测平面上某一点的坐标；
Figure BDA0002923981520000124
表示超透镜上任意一点的坐标，观测光的频率为ν，波长为λ，非相干源的归一化频谱可以表示为G(ν)，并有∫G(ν)dν＝1，观测目标光强分布为Iobject(α')。超透镜上，任意两点之间的互谱密度函数只与超透镜上的两个干涉位置差有关，与物体的绝对位置无关。互谱密度函数是物体信号的傅里叶变换，f1-f2越大既可以观测目标的越高频的信号，因此超透镜上的两个干涉位置差越大就可以接收到更高频的物体信号，从而得到更好的细节信息，低频包含了物体的轮廓信息。
请参阅图1-9，信息处理模块30接收光电探测器24输出的电信号，并通过ABCD算法解算以得到采样的频域信息，且信息处理模块30根据解算得到的采样的频域信息以及根据超透镜排布方式确定的频域信号采样函数进行计算处理得到观测目标估计值后根据观测目标值输出重建图像。
信息处理模块30接收所述光电探测器24输出的电信号，并通过ABCD算法解算以得到采样的频域信息，即，光强信号Ik(k＝1,2,3,4)通过ABCD方法解算可得到空间频率f对应的频域信号V(f)，即
V(f)＝abs{V(f)}exp(i·arg{V(f)})
则频域信息矢量表示为
Figure BDA0002923981520000122
其中，abs{V(f)}和arg{V(f)}分别为
Figure BDA0002923981520000131
Figure BDA0002923981520000132
其中，abs{V(f)}表示频谱信号V(f)的幅值部分，arg{V(f)}表示频谱信号V(f)的相位部分，i表示虚数单位，方向与空间频率f同向，
Figure BDA0002923981520000133
表示与f同向的单位向量。
请参阅图1-9，信息处理模块30根据解算得到的采样的频域信息以及根据超透镜排布方式确定的频域信号采样函数进行计算处理得到观测目标估计值后根据所述观测目标值输出重建图像。
由于超透镜阵列10排布稀疏，观测目标频域信息不能被充分被采集到，因此如果直接进行inverse Fourier Transform(IFT)恢复带来的效果会很差，需要借助特殊设计的算法，消除这些频域信息未充分采集对最终成像的影响，最终可以获得高分辨的图像。
恢复观测目标基本思想是对逆向问题的求解，其基本思路是对于已采样的频谱信息部分做最大程度的保留，即添加Data fidelity项；对于未采样部分选择使用惩罚函数来添加对观测目标的先验，而且较好的惩罚函数(Penalty function)可以使病态问题存在唯一解，也可以让解得到快速的收敛。
最终需要优化的组合函数包括两个部分Data fidelity项α·χ2及Penaltyfunction项β·P，即，恢复观测目标采用如下公式：
J＝α·χ2+β·P
Figure BDA0002923981520000134
Figure BDA0002923981520000135
Vsample＝V(f)＝abs{V(f)}exp(i·arg{V(f)})
其中，α，β表示各项的系数(此系数可以通过人为设定或者自更新得到，相关操作可以参考凸优化算法)；P为惩罚函数；
Figure BDA0002923981520000136
表示对矩阵M中的所有元素求平方和，即
Figure BDA0002923981520000141
表示对观测目标的估计值，A表示系统对观测目标的降质作用，Vsample表示采样得到的频域信息；当J的值收敛到最小值，即可得
Figure BDA0002923981520000142
惩罚函数P有很多形式，例如总变分惩罚，熵惩罚等。本实施中为了展示成像的可行性，采用最大熵(Maximum Entropy)惩罚，此外还添加了总功率(total power)限制，即
Figure BDA0002923981520000143
其中，观测目标的估计值
Figure BDA0002923981520000144
用X表示，xij表示X中的分量。通过采用不同的优化算法计算迭代，使得组合函数J的值收敛到最小值，即可得到恢复的观测目标。因此可以得到其惩罚函数：
Figure BDA0002923981520000145
其中αij，aij，xij，vij sample，β'ij，β”ij表示α，A，X，Vsample，β'，β”的分量。选用梯度下降进行X的更新可以得到：
Figure BDA0002923981520000146
进一步地，对观测目标频域信息降质影响可以表示为：
Vsample＝Vobject·H，
其中，Vobject表示观测目标的频域信息分布，Vobject＝FT{Iobject}是观测目标Iobject的傅里叶变换(FT)，·表示点乘操作，
Figure BDA0002923981520000147
离散情况下可以表示为：
Vsample(fkij)＝Vobject(fkij)·H(fkij)，
其中，
Figure BDA0002923981520000148
最终得到的空间频率fkij与
Figure BDA0002923981520000149
是同向，都有在二维空间中进行表示，因此可以将含有三个坐标的矢量按照上式降到二维空间表示，可以得到在方向Bij上，大小为|λkz/Bij|的矢量对应的Vobject，Vsample和H。因此对于Vobject，Vsample和H离散的分量可以表示为
Figure BDA0002923981520000151
和Hij，干涉成像的降质过程实际上是
Figure BDA0002923981520000152
和采样的离散分量Hij的对应值相差得到
Figure BDA0002923981520000153
本发明实施例在Inter(R)CPU3.00GHz，8G的PC机上，使用MATLAB R2018a平台，对不同特征的目标图像进行了成像仿真。
1、仿真条件
表一是仿真的系统配置。目标图像重建选用最大熵方法。
表一、仿真系统相关参数
Figure BDA0002923981520000154
2、仿真结果
图10(a)、(b)、(c)为本发明方法对不同特征在表一的系统配置下的成像结果。利用峰值信噪比(peak signal-to-noise ratio,PSNR)和结构相似度指数(structuralsimilarity index,SSIM)进一步评估恢复的目标分布与观测目标之间的相似性。结果如表二所示，其中添加的噪声是均值为0，方差为0.004的高斯噪声。可以看出，恢复后的图像更接近观测目标值。
表二、干涉成像系统成像的像质评价
Figure BDA0002923981520000155
从图10a可以看出，本发明可以使用稀疏的子孔径干涉成像即可实现二维目标成像，且对不同特征的目标图像重建质量都很高。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于超透镜阵列与光子集成芯片干涉平板成像系统，其特征在于，包括超透镜阵列、光子集成芯片和信息处理模块，所述超透镜阵列包括第一基板以及若干个刻蚀在所述第一基板上的超透镜列，每个所述超透镜列包括若干个超透镜，所述光子集成芯片包括第二基板以及集成在所述第二基板上的光栅阵列、波分解复用结构、频谱信号解算结构和光电探测器，所述超透镜阵列、所述光栅阵列、所述波分解复用结构、所述频谱信号解算结构和所述光电探测器沿光路依次设置，所述超透镜阵列用于将入射光波汇聚，所述光栅阵列用于将垂直或者有一定偏角照射的入射光波转换到水平输出，经过所述超透镜汇聚的光波耦合入所述光栅阵列后通过所述波分解复用结构和所述频谱信号解算结构实现分频、相位调整以满足干涉条件，所述光电探测器用于获取所述频谱信号解算结构输出的光强信号并将所述光强信号转换为电信号，所述信息处理模块用于接收所述电信号并对所述电信号进行算法重构后输出重建图像。
2.如权利要求1所述的平板成像系统，其特征在于，若干个所述超透镜列呈辐射状分布在所述第一基板，所述光栅阵列位于所述超透镜阵列的后端。
3.如权利要求1所述的平板成像系统，其特征在于，所述光子集成芯片还包括背板，所述第二基板固定在所述背板上。
4.如权利要求1所述的平板成像系统，其特征在于，所述频谱信号解算结构包括移相结构和波导耦合结构，所述波分解复用结构用于将宽谱段入射光波转换为多个准单色光输出，多个准单色光输出通过所述波导耦合结构和所述移相结构移相以满足干涉条件。
5.如权利要求4所述的平板成像系统，其特征在于，径向上两个不同中心位置的所述超透镜得到准单色光的光信号输入到同一个频谱信号解算结构，所述频谱信号解算结构输出四个具有不同相位差的光强信号Ik(k＝1,2,3,4)，所述光电探测器接收所述光强信号并转换为电信号输出，则有以下公式：
Ik＝|Mk|2＝S2+L2+2SLcos[(φS-φL)+Φk]
其中，Mk为矢量，Mk表示光子集成芯片输出的振幅，S，φS表示其中一个输入波导的幅值和相位，L，φL表示另一个输入波导的幅值和相位，Φk表示光子集成芯片引入的相位差，
Figure FDA0002923981510000021
6.如权利要求5所述的平板成像系统，其特征在于，所述信息处理模块接收所述光电探测器输出的电信号，并通过ABCD算法解算以得到采样的频域信息，且所述信息处理模块根据解算得到的采样的频域信息以及根据所述超透镜排布方式确定的频域信号采样函数进行计算处理得到观测目标估计值后根据所述观测目标估计值输出重建图像。
7.如权利要求6所述的平板成像系统，其特征在于，若干个所述超透镜列呈辐射状分布，定义λ为成像波长，z为物体平面到超透镜平面的距离，D1,D2分别表示两个超透镜的中心坐标，D1-D2为径向上两个不同的超透镜中心位置之差，即基线B，则观测目标频率采样表示为空间频率f与基线B的关系，即
f＝λz/(D1-D2)
＝λz/B
定义观测目标Iobject(α')通过傅里叶变换即可得到频域分布信息，则
V(f)＝FT{Iobject(α')}
其中，空间频率f表示频域坐标，α'表示空域坐标；
定义H(f)为空间频率f处的对频谱信息的采样权重，则观测目标的频域信号采样方式为：
Figure FDA0002923981510000022
其中，向量形式
Figure FDA0002923981510000023
即可表示观测目标的频域信号采样函数，
Figure FDA0002923981510000024
表示空间频率f方向上的单位向量。
8.如权利要求7所述的平板成像系统，其特征在于，所述信息处理模块接收所述光电探测器输出的电信号，并通过ABCD算法解算以得到采样的频域信息，即，光强信号Ik(k＝1,2,3,4)通过ABCD方法解算可得到空间频率f对应的频域信号V(f)，即
V(f)＝abs{V(f)}exp(i·arg{V(f)})
则频域信息矢量表示为
Figure FDA0002923981510000031
其中，abs{V(f)}和arg{V(f)}分别为
Figure FDA0002923981510000032
Figure FDA0002923981510000033
其中，abs{V(f)}表示频谱信号V(f)的幅值部分，arg{V(f)}表示频谱信号V(f)的相位部分，i表示虚数单位，方向与空间频率f同向，
Figure FDA0002923981510000034
表示与f同向的单位向量。
9.如权利要求8所述的平板成像系统，其特征在于，所述信息处理模块根据解算得到的采样的频域信息以及根据所述超透镜排布方式确定的频域信号采样函数进行计算处理得到观测目标估计值后根据所述观测目标估计值输出重建图像，采用如下公式：
J＝α·χ2+β·P
Figure FDA0002923981510000035
Figure FDA0002923981510000036
Vsample＝V(f)＝abs{V(f)}exp(i·arg{V(f)})
其中，α，β表示各项的系数；P为惩罚函数；
Figure FDA0002923981510000037
表示对矩阵M中的所有元素求平方和，即
Figure FDA0002923981510000038
Figure FDA0002923981510000039
表示对观测目标的估计值，A表示系统对观测目标的降质作用，Vsample表示采样得到的频域信息；当J的值收敛到最小值，即可得
Figure FDA0002923981510000041
10.如权利要求9所述的平板成像系统，其特征在于，定义观测目标的估计值
Figure FDA0002923981510000042
用X表示，P采用最大熵惩罚函数，并增加总功率限制，则
Figure FDA0002923981510000043
Figure FDA0002923981510000044
其中，αij，aij，xij，vij sample，β'ij，β”ij表示α，A，X，Vsample，β'，β”的分量。
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