基于干涉原理的超薄高分辨率平板成像方法研究

摘要

超薄高分辨率平板成像方法是基于范西特-泽尼克定理融合光子集成电路技术的一种新型成像思路，旨在大幅减少成像系统的尺寸、重量和功率，获得高分辨率图像。该成像方法利用波导阵列、阵列波导光栅以及平衡四正交检波器等器件对光进行耦合传播、分光复用以及相干计算，取代传统光电成像系统中光在自由空间中的传播过程。较传统望远镜系统可避免大型光学系统的制造、抛光、校准，大幅度减少开发与制造周期。本文基于光的干涉成像原理、图像重构过程以及系统光子集成电路架构，从本质上对超薄高分辨率平板成像方法成像质量的影响因素进行分析研究。 本文首先从光的相干性出发，结合范西特-泽尼克定理阐述了超薄高分辨率平板成像方法的成像原理以及图像重构过程，明确空间频率采样点与基线矢量的关系以及复相干因子幅值与条纹可见度的关系；根据该成像系统中信号的传输过程分析了系统成像过程，结合该成像系统的光子集成电路架构阐述了光子集成电路中波导器件的作用，并着重介绍了阵列波导光栅的基本理论以及其信道数对成像质量的影响。 其次，介绍了U-V覆盖技术以及超薄高分辨率平板成像系统获取U-V频谱图的方法。研究了构建高质量U-V频谱图的影响因素，包括复相干因子和U-V空间频率覆盖。基于光的干涉原理，分析了光源本身特性以及阵列波导光栅分光对条纹可见度的影响；研究了透镜阵列分布与基线配对方法、子透镜占空比、采样间隔以及阵列波导光栅的信道数对U-V空间频率覆盖的影响。为后文分析这些因素对系统成像质量的影响打下基础。 然后，根据超薄高分辨率平板成像方法的成像原理实现了系统重建成像过程的仿真，利用U-V频谱图对目标理想互强度谱进行采样得到系统检测到的实际互强度谱，对实际的互强度谱做逆傅里叶变换求得目标的二维强度分布。在此基础上结合单一变量原则，依次改变基线配对方式、最长基线长度、子透镜占空比、采样间隔以及阵列波导光栅信道数，分析这些因素对系统成像质量的影响。 最后，基于对超薄高分辨率平板成像方法基本原理和构建高质量U-V频谱图关联因素的研究等，阐述了关于提升超薄高分辨率平板成像系统性能的设想，研究了利用填补型透镜阵列排布模型的成像系统，实现了该成像系统图象重构的仿真，分析了低频填补对成像质量的影响。

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ABSTRACT

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缩略语对照表

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外发展现状

1.2.1 国外发展现状

1.2.2 国内研究现状

1.3 本论文的主要工作

1.3.1 研究内容概述

1.3.2 文章结构

第二章 超薄高分辨率平板成像方法的理论基础

2.1 超薄高分辨率平板成像原理与图像重构过程

2.1.1 非相干光源的空间相干性

2.1.2 范西特-泽尼克定理

2.1.3 图像重构过程

2.2 超薄高分辨率平板成像系统中的PIC设计分析

2.2.1 SPIDER成像系统的信号传输过程

2.2.2 初代SPIDER系统中光子集成电路架构分析

2.2.3 阵列波导光栅的基本理论

2.3 本章小结

第三章 影响构建高质量U-V频谱图的因素分析

3.1 复相干因子影响因素的计算分析

3.1.1 光源线宽对复相干因子幅值的影响

3.1.2 光源复色性对复相干因子幅值的影响

3.1.3 阵列波导光栅信道数对复相干因子幅值的影响

3.2 U-V覆盖技术

3.3 模拟空间频率采样点与干涉条纹的对应关系

3.4 U-V覆盖影响因素的计算分析

3.4.1 透镜阵列排布及基线配对方式对频率覆盖的影响

3.4.2 子透镜占空比以及采样间隔对U-V覆盖的影响

3.4.3 增加信道数对提升U-V频谱完整度的影响

3.5 本章小结

第四章 重建图像仿真与结果分析

4.1 模拟图像重构过程

4.2 影响系统成像质量因素的模拟分析

4.2.1 基线配对方式对系统成像质量的影响

4.2.2 最大基线长度对系统分辨率的影响

4.2.3 关于子透镜占空比引起图像模糊的分析

4.2.4 采样间隔对成像质量的影响

4.2.5 阵列波导光栅信道数对成像质量的影响

4.3 提升超薄高分辨率平板成像系统性能的设想

4.4 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 研究结论

5.2 研究展望

参考文献

致谢

作者简介

1. 基本情况

2. 教育背景

3. 攻读硕士学位期间的研究成果

3.1 申请（授权）专利

3.2 参与科研项目及获奖