量子点光谱成像系统技术方案

本发明专利技术公开了一种量子点光谱成像系统，其包括：依次设置的前置望远镜、量子点阵列片和图像探测器；所述图像探测器位于前置望远镜的后焦面处，所述量子点阵列片是将具有不同光谱透过率特性的量子点材料沿光谱维方向平行制作在基底上，每一种量子点材料在光谱维方向上覆盖一行或多行探测器像素，形成一种量子点条带。该方案基于量子点的光谱成像系统，相对传统的光谱成像仪具有性能稳定、能量利用率高、结构简单、体积小、重量轻和成本低廉等优点，其有效的降低了系统的复杂程度和研制成本，适用于机载或星载设备，特别是满足载荷小型化的应用需求；此外，采用光谱重构算法也可以很好的还原入射光谱。

Quantum dot spectral imaging system

The invention discloses a quantum dot spectral imaging system, which includes: front telescope, followed by the establishment of quantum dot array plate and image detector; after the focal plane of the image detector is located in front of the telescope, the array of quantum dots is having different spectral transmission rate characteristics of quantum dots in parallel along the spectral dimension the direction of production on the substrate, each quantum dot material covering one or more rows of detector pixels in spectral dimension, the formation of a quantum dot strip. The spectral imaging system based on quantum dots, relative to traditional imaging spectrometer has the advantages of stable performance, the advantages of high energy utilization rate, simple structure, small volume, light weight and low cost, which effectively reduces the development cost and the complexity of the system, suitable for airborne or spaceborne equipment, especially to meet the application of the load demand of miniaturization; in addition, the spectral reconstruction algorithm can restore the incident spectrum very well.

【技术实现步骤摘要】
量子点光谱成像系统
本专利技术涉及光谱成像
，尤其涉及一种量子点光谱成像系统。
技术介绍
光谱成像技术是一类将成像技术和光谱技术相结合的新型多维信息获取技术，它能够获得被探测目标的二维空间信息和一维光谱信息，形成数据立方体。光谱成像技术能实现对目标特性的综合探测感知与识别，极大地扩展了遥感探测技术的监测能力、目标识别，具有其它遥感技术不可取代的优势。根据光谱成像仪工作原理的不同，光谱成像仪可以分为色散型、干涉型、滤光片型和计算光谱成像型。目前光谱成像技术的小型化是航空航天遥感技术的新要求，现有的光谱成像技术取得了长足的进步，但仍存在着一定的不足：1)对于色散型成像光谱仪或者傅里叶变换成像光谱仪均带有狭缝，这样会极大的造成光能量的损失，限制了光谱相机的信噪比提高。这类仪器均需要复杂的分光器件，如分光棱镜或者衍射光栅，造成系统体积庞大、造价昂贵、研制难度高，很难满足载荷小型化的要求。例如，德国的EnMap的高光谱成像仪采用Fery曲面棱镜的光谱仪，Fery曲面棱镜光谱仪系统体积大，在前置望远镜后焦面放置狭缝，造成能量极大损失。需要复杂的光学系统，这些结构通常包括数量较多的分光元件且安装精度要求非常高，这些都会增加了系统的重量、体积和研制成本，很难满足载荷小型化的要求。2)采用滤光片或是线性渐变滤光片的成像光谱仪，虽然能够满足小型化的需求，但是波段数有限，且存在着光子效率、光谱分辨率和光谱范围窄的不足。例如，西安光机所研制的滤光片阵列的多光谱相机，其在相机系统加入了一个滤光片，放置在CCD探测器前，在滤光片基板上沿着垂直于飞行的方向镀制多个窄带滤光膜；然而，滤光片镀膜工艺限制了其谱段的数量，无法作为高光谱成像仪使用。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种量子点光谱成像系统，具有高光谱分辨率，高能量利用率，体积小、光谱范围宽和成本低等优势。量子点材料的诸多优势可以预见其在光谱成像技术中应用的巨大潜力，为光谱成像技术的发展及其小型化提供新的方案。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：一种量子点光谱成像系统，包括：依次设置的前置望远镜、量子点阵列片和图像探测器；所述图像探测器位于前置望远镜的后焦面处，所述量子点阵列片是将具有不同光谱透过率特性的量子点材料沿光谱维方向平行制作在基底上，每一种量子点材料在光谱维方向上覆盖一行或多行探测器像素，形成一种量子点条带；利用系统对探测目标以行为单位进行采样成像时，量子点阵列片每一量子点条带覆盖的一行或多行像元均对应成像条带状的探测目标，对于量子点阵列片后获得对应探测目标每一行数据的采样数据，利用光谱重构算法来获得对应探测目标的数据立方体，再将所有数据立方体前后拼接，即获得了整个探测目标的图谱数据立方体。一量子点条带的量子点光谱透过率及其覆盖的探测器像元的光谱响应的综合作用构成了该量子点条带的光谱透过率函数，沿推扫方向共制作i种具有不同光谱透过率函数的量子点条带，其光谱透过率函数分别为Ti(λ)；每一量子点条带的光谱透过率函数Ti(λ)利用氙灯光源、单色仪和积分球组成的装置进行测试，氙灯光源发出光束，利用单色仪输出单色光进入积分球后在其出口处获得单色光均匀照明面，将量子点条带和探测器集成后放在均匀照明面附近从而对整个探测器的光谱相应进行测试，获得量子点条带的光谱透过率函数Ti(λ)。利用系统对探测目标以行为单位进行采样成像时，量子点阵列片每一量子点条带覆盖的一行或多行像元均对应成像条带状的探测目标；推扫成像过程中，当进行第1帧探测时，不同视场的条带状探测目标发出的光束通过前置望远镜和相应的量子点条带后被探测器接收；当第2帧探测时，条带状探测目标的数据立方体沿着推扫方向移动，条带状探测目标的第2行数据相应的被量子点阵列片上第2行接收，以此类推；当图谱数据立方体遍历完整个量子点阵列片后，每一个条带状探测目标依次通过了量子点阵列片的i种不同的量子点条带，得到了i次的采样数据。所述光谱重构算法来获得对应探测目标的数据立方体包括：假设入射光谱曲线为通过nF个量子点条带，同时测量通过每一个量子点条带后的透射光强Ii：其中，Ti(λ)为第i个量子点条带的光谱透过率函数；将连续的入射光谱分成由nλ个离散波长组成，则上式变为：上式中，离散波长的光谱间隔为Δ＝(b-a)/(nλ-1)和λj＝a+(j-1)×Δ；当j＝1和j＝nλ时Δλj＝Δ/2，当j为其他数值时，Δλj＝Δ；将上式写成矩阵方程：上式中，数据向量I∈Ri×1由入射光谱通过量子点后所形成的光强所组成，数据矩阵T(λ)∈Ri×j中每一行表示量子点不同波长的光谱吸收率；在理想情况下，入射光谱的离散波长数量nλ和量子点条带数量nF相等，则利用最小二乘线性回归的计算方法获得该入射光谱曲线在实际测量过程中，会存在一定的观测误差或噪声n，则上述矩阵方程变为：如果离散波长数量nλ小于等于量子点条带数量nF，即矩阵方程的求解为超定矩阵求解，则采用最小二乘法和Tikhonov正则化和遗传算法等得到最优解；如果离散波长数量nλ大于量子点条带数量nF，即矩阵方程的求解为欠定矩阵求解，则采用L1范数最小化理论，或者利用转换矩阵，即通过减少线性方程组未知量个数，将欠定矩阵转变为超定矩阵方程的求解。由上述本专利技术提供的技术方案可以看出，基于量子点的光谱成像系统，相对传统的光谱成像仪具有性能稳定、能量利用率高、结构简单、体积小、重量轻和成本低廉等优点，其有效的降低了系统的复杂程度和研制成本，适用于机载或星载设备，特别是满足载荷小型化的应用需求；此外，采用光谱重构算法也可以很好的还原入射光谱。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例的技术方案，下面将对实施例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专利技术的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。图1为本专利技术实施例提供的一种量子点光谱成像系统的示意图；图2为本专利技术实施例提供的量子点阵列片的示意图；图3为本专利技术实施例提供的不同量子点条带的光谱透过率函数示意图；图4为本专利技术实施例提供的测试量子点条带的光谱透过率函数的示意图；图5为本专利技术实施例提供的推扫成像时测量条带状探测目标的示意图；图6为本专利技术实施例提供的仿真试验中入射光谱与重建光谱的示意图；图7为本专利技术实施例提供的入射图像与光谱重建后图像的示意图；图8为本专利技术实施例提供的原光谱的RGB合成图与图像中红旗上某一点的光谱图；图9为本专利技术实施例提供的重建后RGB合成图与红旗上同一点的光谱图。具体实施方式下面结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术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专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术的保护范围。图1为本专利技术实施例提供的一种量子点光谱成像系统，如图1所示，其主要包括：依次设置的前置望远镜101、量子点阵列片102和图像探测器103；所述图像探测器103位于前置望远镜101的后焦面处；如图2所示，所述量子点阵列片101是将具有不同光谱透过率特性的量子点材料沿光谱维方向平行制作在基底上，每一种量子点材料在光谱维方向上覆盖一行本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种量子点光谱成像系统，其特征在于，包括：依次设置的前置望远镜、量子点阵列片和图像探测器；所述图像探测器位于前置望远镜的后焦面处，所述量子点阵列片是将具有不同光谱透过率特性的量子点材料沿光谱维方向平行制作在基底上，每一种量子点材料在光谱维方向上覆盖一行或多行探测器像素，形成一种量子点条带；利用系统对探测目标以行为单位进行采样成像时，量子点阵列片每一量子点条带覆盖的一行或多行像元均对应成像条带状的探测目标，对于量子点阵列片后获得对应探测目标每一行数据的采样数据，利用光谱重构算法来获得对应探测目标的数据立方体，再将所有数据立方体前后拼接，即获得了整个探测目标的图谱数据立方体。

【技术特征摘要】
1.一种量子点光谱成像系统，其特征在于，包括：依次设置的前置望远镜、量子点阵列片和图像探测器；所述图像探测器位于前置望远镜的后焦面处，所述量子点阵列片是将具有不同光谱透过率特性的量子点材料沿光谱维方向平行制作在基底上，每一种量子点材料在光谱维方向上覆盖一行或多行探测器像素，形成一种量子点条带；利用系统对探测目标以行为单位进行采样成像时，量子点阵列片每一量子点条带覆盖的一行或多行像元均对应成像条带状的探测目标，对于量子点阵列片后获得对应探测目标每一行数据的采样数据，利用光谱重构算法来获得对应探测目标的数据立方体，再将所有数据立方体前后拼接，即获得了整个探测目标的图谱数据立方体。2.根据权利要求1所述的量子点光谱成像系统，其特征在于，一量子点条带的量子点光谱透过率及其覆盖的探测器像元的光谱响应的综合作用构成了该量子点条带的光谱透过率函数，沿推扫方向共制作i种具有不同光谱透过率函数的量子点条带，其光谱透过率函数分别为Ti(λ)；每一量子点条带的光谱透过率函数Ti(λ)利用氙灯光源、单色仪和积分球组成的装置进行测试，氙灯光源发出光束，利用单色仪输出单色光进入积分球后在其出口处获得单色光均匀照明面，将量子点条带和探测器集成后放在均匀照明面附近从而对整个探测器的光谱相应进行测试，获得量子点条带的光谱透过率函数Ti(λ)。3.根据权利要求1所述的量子点光谱成像系统，其特征在于，利用系统对探测目标以行为单位进行采样成像时，量子点阵列片每一量子点条带覆盖的一行或多行像元均对应成像条带状的探测目标；推扫成像过程中，当进行第1帧探测时，不同视场的条带状探测目标发出的光束通过前置望远镜和相应的量子点条...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏立冬，王英俊，周锦松，景娟娟，李雅灿，杨雷，付锡禄，王欣，
申请(专利权)人：中国科学院光电研究院，
类型：发明
国别省市：北京,11