一种高光谱成像系统技术方案

本发明专利技术公开了一种高光谱成像系统，包括：光谱扫描驱动组件，以及沿入射光方向依次放置的超表面透镜和CMOS探测器；其中，超表面透镜和CMOS探测器的中心点均位于光轴线上，且CMOS探测器的位置固定；光谱扫描驱动组件与超表面透镜的两端相连；本发明专利技术利用超表面透镜实现入射光线的轴向色散，由于超表面透镜的亚波长微结构具有高效调控能力，且通过扫描方式成像，可同时实现各光谱通道的衍射极限成像功能，相比实时快照式系统，数据处理简单，空间分辨率高。另外，由于CMOS探测器结构位置固定，利用便携的光谱扫描驱动组件对超表面透镜进行轴向移动，可实现各光谱分量的轴向扫描及共轴成像，显著提高了系统的成像质量和光谱线性度。

【技术实现步骤摘要】
一种高光谱成像系统
本专利技术属于高光谱成像与微纳光子学领域，更具体地，涉及一种高光谱成像系统。
技术介绍
高光谱成像技术是成像光学领域近年来热门的研究方向之一，该技术广泛应用于文物保护、刑事侦查、产品分拣、精准农业、环境监测、遥感测绘、航空航天等领域。常用的高光谱成像技术主要通过色散型或干涉型光学系统来实现光谱信息的获取，其中，色散型高光谱成像技术不可避免地引入了狭缝结构，系统结构复杂、光通量及信噪比低；而干涉型光谱成像技术调节精度要求高，同时，较高的光谱分辨率需要较大光程差，从而需要较大的移动量，使得系统体积较大，另外，在空间调制干涉型系统中也存在狭缝，降低了系统的光通量及信噪比。在对光谱进行扫描时，常规的高光谱成像系统的光谱扫描驱动组件通常与探测器结构连接，对探测器结构进行轴向移动，但是探测器结构除前端的窗口与探测器阵列外，还包含后端电路等，结构复杂，使得光谱扫描驱动组件负荷较大，光谱扫描时间较长。近年来，为了适应光照变化、大气扰动等复杂条件，实时快照式的高光谱成像系统也逐渐受到关注，文章Reviewofsnapshotspectralimagingtechnologies中公开了一种分孔径共轴式的高光谱成像系统，通过加入透镜阵列、滤光片阵列和探测器阵列，实现高光谱信息的实时探测，但是该系统由于不同频段的探测器紧密排列，对于大视场的入射光线，容易发生信号串扰。另一类实时快照式系统则是基于重构算法实现，如计算层析、压缩编码、积分视场、离散采样等，但是由于高光谱重构算法较为复杂，难以实现真正意义上的实时探测，并且算法处理速度依赖于探测数据，因此也限制了实时快照式系统的分辨率，目前这类系统只适用于对分辨率要求不高的场合。综上所述，目前实时快照式高光谱成像系统的产业化应用还存在较多的限制。随着科学技术的进步，高光谱成像系统需要向小型化与低成本的方向发展。高光谱成像技术目前仍主要作为科学研究工具，用于实验室光谱分析或航空航天等遥感领域，但是，现有的高光谱成像系统较大的体积与较高的成本，限制了高光谱成像技术的产业化应用，为了缩小科研与产业之间的差距，简化高光谱成像系统的结构和降低高光谱成像系统的成本已十分必要。在工程光学不断发展的同时，电磁超表面作为该领域中一个新颖的研究方向，也受到越来越多的关注，从结构上讲，电磁超表面是亚波长或波长尺度电磁谐振单元的二维阵列；从功能上讲，它可以在整个电磁波谱范围内调控电磁波的强度、频率、相位、偏振等参量。基于电磁超表面的成像技术(超表面透镜)作为其中的一个分支，相比传统光学元件，结构轻便、成本低廉、更加适应平面加工工艺，能够有效代替传统光谱成像系统的衍射结构和色散结构，因此具有广阔的应用前景，若把超表面透镜用于高光谱成像，则有利于减小体积、降低成本和提高像质。目前，将超表面透镜用于高光谱成像的研究相对较少，常见的方案是单孔径离轴型系统(如专利CN207263300U)，在该系统中，超表面透镜对入射的光束实现色散，将不同频率的光分别投射到设置于轴外的不同探测器表面，实现对各光谱分量的成像，但是对于这种离轴结构，系统装调比较困难，而且光线被投射到轴外，增大了成像的像方视场角，限制了系统的成像质量，另外，轴外各光谱分量对应的焦点并非线性排列，系统的光谱线性度较差。综合上述内容，并结合当前技术发展现状，现有的高光谱成像系统存在以下问题：1)传统的色散型及干涉型高光谱成像系统结构笨重、复杂，而且狭缝结构的存在严重限制了系统的光通量，降低了系统的光能利用率及信噪比；2)常规的光谱扫描驱动组件多用于对探测器结构进行移动，光谱扫描驱动组件负荷较大，扫描时间较长；3)基于分孔径共轴方案的实时快照式系统结构复杂，且存在信号串扰的问题；基于重构算法的实时快照式系统运算复杂度较高，仅适用于分辨率要求不高的场合；4)基于超表面透镜的高光谱成像系统有效实现了系统的小型化、低成本和高像质，但是，目前比较常见的单孔径离轴型系统存在离轴装调困难、离轴像质较差和光谱线性度差等缺陷。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种高光谱成像系统，其目的在于解决现有技术由于采用离轴结构而导致成像质量较差的技术问题。为实现上述目的，本专利技术提供了一种高光谱成像系统，包括：光谱扫描驱动组件，以及沿入射光方向依次放置的超表面透镜和CMOS探测器；其中，超表面透镜和CMOS探测器的中心点均位于光轴线上，且CMOS探测器的位置固定；光谱扫描驱动组件与超表面透镜的两端相连；超表面透镜用于接收入射光，使入射光进行轴向色散，进而使入射光的不同光谱分量分别聚焦到光轴的不同位置处；光谱扫描驱动组件用于控制超表面透镜沿着光轴方向移动，实现光谱的轴向扫描，将入射光各光谱分量在光轴上不同位置处的焦点依此移动到CMOS探测器表面；CMOS探测器用于消除杂散光和探测波段以外的光线，实现探测成像。进一步优选地，上述超表面透镜包括：超表面微结构阵列和介质衬底层；超表面微结构阵列位于介质衬底层的后表面，其中，介质衬底层的后表面为沿着入射光方向，光线后到达的那一面；超表面微结构阵列由一系列柱状结构单元按照六方晶格周期排列而成，其中，柱状结构单元的高度均相同，且介于所探测的波长量级，柱状结构单元的直径介于亚波长量级。进一步优选地，根据上述柱状结构单元的相位及透过率与柱状结构单元尺寸的关系，确定超表面微结构阵列中每个位置处柱状结构单元的尺寸；其中，上述柱状结构单元的光谱透过率大于光谱透过率的需求值。进一步优选地，上述柱状结构单元的材料为二氧化钛或者二氧化硅或者非晶硅，上述介质衬底层的材料为二氧化硅。进一步优选地，以高成像质量与高光通量为优化目标，利用时域有限差分法对上述介质衬底层的结构参数进行优化。进一步优选地，对于波长为λ的光谱分量，上述光谱扫描驱动组件控制超表面透镜沿光轴向像方移动距离δ，使该光谱分量聚焦到CMOS探测器表面；当初始物距So为无穷远时，计算特定波长λ下的超表面透镜的轴向移动距离δ的表达式为：当初始物距So为有限远时，计算特定波长λ下的超表面透镜的轴向移动距离δ的表达式为：A(λ)δ2+B(λ)δ+C＝0其中，A(λ)＝-soλ2+λ0f0λC＝λ0f0soD是超表面透镜的通光口径，NA是超表面透镜的数值孔径，Δλ是高光谱成像系统的光谱分辨率，so是高光谱成像系统的初始物距，λ0是高光谱成像系统的设计波长，f0是高光谱成像系统的设计焦距。进一步优选地，CMOS探测器包括沿入射光方向依次设置的探测器窗口和CMOS阵列；探测器窗口用于滤除系统的杂散光及探测波段外的光线；CMOS阵列用于对聚焦后的光线实现探测成像，其像素尺寸小于或等于最大入射波长的2倍。总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：1、本专利技术提供了一种高光谱成像系统，利用超表本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高光谱成像系统，其特征在于，包括：光谱扫描驱动组件，以及沿入射光方向依次放置的超表面透镜和CMOS探测器；/n所述超表面透镜和所述CMOS探测器的中心点均位于光轴线上，且所述CMOS探测器的位置固定；所述光谱扫描驱动组件与所述超表面透镜的两端相连；/n所述超表面透镜用于接收入射光，使入射光进行轴向色散，进而使入射光的不同光谱分量分别聚焦到光轴的不同位置处；/n所述光谱扫描驱动组件用于控制超表面透镜沿着光轴方向移动，实现光谱的轴向扫描，将入射光各光谱分量在光轴上不同位置处的焦点依此移动到所述CMOS探测器表面；/n所述CMOS探测器用于消除杂散光和探测波段以外的光线，实现探测成像。/n

【技术特征摘要】
1.一种高光谱成像系统，其特征在于，包括：光谱扫描驱动组件，以及沿入射光方向依次放置的超表面透镜和CMOS探测器；
所述超表面透镜和所述CMOS探测器的中心点均位于光轴线上，且所述CMOS探测器的位置固定；所述光谱扫描驱动组件与所述超表面透镜的两端相连；
所述超表面透镜用于接收入射光，使入射光进行轴向色散，进而使入射光的不同光谱分量分别聚焦到光轴的不同位置处；
所述光谱扫描驱动组件用于控制超表面透镜沿着光轴方向移动，实现光谱的轴向扫描，将入射光各光谱分量在光轴上不同位置处的焦点依此移动到所述CMOS探测器表面；
所述CMOS探测器用于消除杂散光和探测波段以外的光线，实现探测成像。


2.根据权利要求1所述的高光谱成像系统，其特征在于，所述超表面透镜包括：超表面微结构阵列和介质衬底层；
所述超表面微结构阵列位于所述介质衬底层的后表面，其中，所述介质衬底层的后表面为沿着入射光方向，光线后到达的那一面；
所述超表面微结构阵列由一系列柱状结构单元按照六方晶格周期排列而成，其中，所述柱状结构单元的高度均相同，且介于所探测的波长量级，所述柱状结构单元的直径介于亚波长量级。


3.根据权利要求2所述的高光谱成像系统，其特征在于，根据所述柱状结构单元的相位及透过率与柱状结构单元尺寸的关系，确定所述超表面微结构阵列中每个位置处柱状结构单元的尺寸；其中，所述柱状结构单元的光谱透过率大于光谱透过率的需求值。


4.根据权利要求2所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：易飞，侯铭铭，张恒，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42