[发明专利]干涉式分段平板成像探测系统

说明书

本发明公开了一种干涉式分段平板成像探测系统，主要解决现有成像探测系统中透镜阵列频谱采集点少，系统成像质量差的问题。其包括透镜阵列、光子集成电路、数字信号处理器和图像计算重建模块，光子集成电路位于透镜阵列的焦平面上，并集成在PIC芯片上，该透镜阵列由长度不同的数条辐射条状透镜按同心圆环形状辐射排列，即最长辐射条状透镜镶嵌在圆盘形固定板上，在轮盘式透镜阵列的每个辐射条状透镜两侧填补次长辐射条状透镜，每个次长辐射条状透镜两侧再填补较该次长辐射条状短的透镜，依次类推，形成半径不同的多层同心圆环分布式辐射条状透镜阵列。本发明有效提高了采样点数目，从而提高系统成像质量，可用于空间侦察、监视预警及空间态势感知。

技术领域

本发明属于光学成像技术领域，特别涉及一种分段平板成像探测系统，可用于空间侦察、监视预警、空间态势感知及天文观测。

背景技术

近年来，基于微纳光子集成电路的分段式平面成像概念为研制超薄平面型超高分辨率望远镜系统提供了新途径，已成为先进光学遥感成像技术发展的重要前沿方向。传统望远镜系统的结构设计基本上是采用光学透镜或反射镜堆叠成的体积庞大的桶状系统结构，系统尺寸、体积、重量和功耗大，制备周期长。因此研制超轻、大孔径、高分辨率光学望远镜一直是天文观测和空间监视光学望远成像领域的追求目标。干涉式分段平板成像可避免传统大型光学系统的制造、抛光、校准，大幅度减少体积、重量和功率、集成和测试复杂度。

光学成像的原理大致分为三类，几何光学中的像差理论成像原理、波动光学中的衍射成像原理和干涉成像原理。几何光学认为光线的传播路径可以被直接观测到，光线的这种传播途径称为光路，根据光学系统像差和光路计算可以得出光学系统成像的宏观特征和几何像差问题。衍射成像理论阐述像点附近的光场结构和波像差，把成像系统看做是空间不变的线性系统，系统成像特性用点扩散函数或者调制传递函数来描述，用数学方法解决像质评价问题。而干涉成像原理认为成像过程本质上是一个干涉过程，像面上任意一点的光扰动都是出瞳上各点在像面上形成光扰动的叠加，所以通过控制光学成像系统入瞳的形状、数量、分布就能取得更多的图像信息。干涉成像原理还将衍射成像原理分析中截然分开的相干成像和非相干成像归结为两个极限情形，认为所有成像本质上都是一个干涉过程，因此研究干涉成像原理更有普遍性。

干涉式分段平板成像探测系统是基于范西特-泽尼克理论，借助光子集成电路技术利用微缩干涉阵列取代了体积笨重的光学望远镜和数字焦平面探测系统阵列，进行干涉处理形成计算图像，这种方法大幅度减小了体积、重量和功耗，并且可以通过附加的片上组件增强系统的性能：在每个小透镜后面使用波导阵列以增加视场，并且使用阵列波导光栅将宽带光分散到不同的光谱通道中，从而改善空间频率覆盖。透镜阵列的排布和配对方式决定了采样点的数目。

国内在射电望远镜和光学望远镜的合成孔径干涉成像理论与技术方面有较好的积累，但针对干涉式分段平板成像探测系统的研究相对较少，目前分段平板成像系统的重建图像质量普遍存在对比度差、信息丢失、分辨率不足的缺陷。清华大学Chu qiuhui,Shenyijie,Yuan Meng等人在Optics Communications上发表的Numerical simulation andoptimal design of Segmented Planar Imaging Detector for Electro-OpticalReconnaissance，提出了一种分段平板成像探测系统基线对可调的方法，并通过调整奈奎斯特采样间隔、优化基线对配对方式以及增加阵列波导光栅的光谱通道数提升了分段平板成像探测系统的成像质量，但仍然存在图像质量对比度差、信息丢失严重的问题，影响系统成像质量。

发明内容

本发明针对上述现有技术的不足，提出了一种干涉式分段平板成像探测系统的优化设计，以改变透镜阵列的排布，提高频率采集点的数目，减少信息丢失，有效改善成像质量。