CN111380612A - 一种高光谱成像系统 - Google Patents
一种高光谱成像系统 Download PDFInfo
- Publication number
- CN111380612A CN111380612A CN202010137402.1A CN202010137402A CN111380612A CN 111380612 A CN111380612 A CN 111380612A CN 202010137402 A CN202010137402 A CN 202010137402A CN 111380612 A CN111380612 A CN 111380612A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- super
- surface lens
- imaging system
- hyperspectral imaging
- spectral
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 238000000701 chemical imaging Methods 0.000 title claims abstract description 65
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 claims abstract description 56
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 claims abstract description 39
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 claims abstract description 32
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims abstract description 32
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 23
- 238000002834 transmittance Methods 0.000 claims description 20
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 16
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims description 14
- 230000004907 flux Effects 0.000 claims description 11
- GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N Titan oxide Chemical compound O=[Ti]=O GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 8
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 claims description 8
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 claims description 8
- 238000013461 design Methods 0.000 claims description 6
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 5
- 229910021417 amorphous silicon Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 238000001914 filtration Methods 0.000 claims description 4
- 238000005457 optimization Methods 0.000 claims description 4
- 239000004408 titanium dioxide Substances 0.000 claims description 4
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims description 3
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 abstract description 8
- 238000012545 processing Methods 0.000 abstract description 4
- 230000033228 biological regulation Effects 0.000 abstract description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 11
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 9
- 238000004422 calculation algorithm Methods 0.000 description 5
- 230000008859 change Effects 0.000 description 5
- 239000002086 nanomaterial Substances 0.000 description 5
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 5
- 238000011160 research Methods 0.000 description 5
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 3
- 238000011161 development Methods 0.000 description 2
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 2
- 238000011897 real-time detection Methods 0.000 description 2
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 2
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 1
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 1
- 238000002591 computed tomography Methods 0.000 description 1
- 238000011840 criminal investigation Methods 0.000 description 1
- 230000008030 elimination Effects 0.000 description 1
- 238000003379 elimination reaction Methods 0.000 description 1
- 238000005286 illumination Methods 0.000 description 1
- 238000013507 mapping Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 1
- 238000012552 review Methods 0.000 description 1
- 238000005070 sampling Methods 0.000 description 1
- 238000010183 spectrum analysis Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
- G01J3/28—Investigating the spectrum
- G01J3/2823—Imaging spectrometer
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
- G01J3/02—Details
- G01J3/0205—Optical elements not provided otherwise, e.g. optical manifolds, diffusers, windows
- G01J3/0208—Optical elements not provided otherwise, e.g. optical manifolds, diffusers, windows using focussing or collimating elements, e.g. lenses or mirrors; performing aberration correction
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
- G01J3/02—Details
- G01J3/06—Scanning arrangements arrangements for order-selection
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
- G01J3/28—Investigating the spectrum
- G01J3/2803—Investigating the spectrum using photoelectric array detector
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
- G01J3/28—Investigating the spectrum
- G01J3/2803—Investigating the spectrum using photoelectric array detector
- G01J2003/282—Modified CCD or like
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Spectrometry And Color Measurement (AREA)
Abstract
本发明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。
Description
技术领域
本发明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。
背景技术
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Review of snapshot spectral imaging technologies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。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明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，本发明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+λ0f0λ
C＝λ0f0so
D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，通过本发明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、本发明提供了一种高光谱成像系统，利用超表面透镜实现入射光线的轴向色散，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，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。
2、本发明所提供的高光谱成像系统，引入超表面透镜代替传统成像、色散元件，不需要入射与出射狭缝，有效的利用了入射光能量，克服了常规色散型与干涉型光谱成像系统低光通量的限制，提高了系统信噪比；单一超表面透镜更加轻薄，大大简化了系统结构。
3、在本发明所提供的高光谱成像系统中，光谱扫描驱动组件与超表面透镜结构连接，用于控制超表面透镜进行轴向移动，且探测器结构位置固定，有效的降低了光谱扫描驱动组件的负荷，并缩短了扫描时间。
4、在本发明所提供的高光谱成像系统中，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。
5、本发明所提供的高光谱成像系统，利用单一的超表面透镜结构实现了高光谱成像，简化了高光谱成像系统结构，提高了系统光通量与信噪比，且各光谱通道接近衍射极限，光谱分辨率高。
附图说明
图1是本发明实施例所提供的高光谱成像系统示意图；
图2是本发明实施例所提供的超表面透镜二维示意图；
图3是本发明实施例所提供的周期性微纳结构单元示意图；
图4是本发明实施例所提供的周期性微纳结构单元俯视图；
图5是本发明实施例所提供的柱状结构单元在不同直径下得到的相位和透过率；
图6是本发明实施例所提供的超表面微结构阵列分布图；
图7是本发明实施例所提供的超表面透镜焦点位置随光谱波长的变化曲线示意图；
图8是本发明实施例所提供的超表面透镜轴向光场随光谱波长的变化及在焦点处的聚焦光斑图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中，1、超表面透镜；101、超表面微结构阵列；1011、柱状结构单元；102、介质衬底层；2、CMOS探测器；3、光谱扫描驱动组件。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
为实现上述目的，本发明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；通过采用超表面透镜进行成像和色散，不需要入射与出射狭缝，有效的利用了入射光能量，克服了常规色散型与干涉型光谱成像系统低光通量的限制，提高系统信噪比；与此同时，单一超表面透镜更加轻薄，大大简化了系统结构。优选地，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。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，保证光谱内的透过率都符合要求。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。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。
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；由于CMOS探测器位置固定，采用光谱扫描驱动组件可以有效降低光谱扫描驱动组件的负荷，并且缩短了扫描时间。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；具体为：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+λ0f0λ
C＝λ0f0so
D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。
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。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。
本发明提供了一种高光谱成像系统，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，解决常规色散型与干涉型系统结构复杂、与探测器结构相连的光谱扫描驱动组件负荷较大、实时快照式系统分辨率较低、单孔径离轴型系统离轴成像缺陷的技术问题。
为了进一步说明本发明所提出的高光谱成像系统，下面结合实施例进行详述：
如图1所示为本实施例所提供的一种高光谱成像系统，包括：超表面透镜1、CMOS探测器2以及光谱扫描驱动组件3。
其中，超表面透镜1和CMOS探测器2沿着入射光方向依次放置，且超表面透镜1和CMOS探测器2的中心点均位于光轴线上，CMOS探测器2的位置固定；光谱扫描驱动组件3与超表面透镜1的两端相连；
超表面透镜1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；其中，超表面透镜1地结构示意图如图2所示，包括：超表面微结构阵列101和介质衬底层102；其中，超表面微结构阵列101位于介质衬底层102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101由一系列柱状结构单元1011按照六方晶格周期排列而成，其中，柱状结构单元1011的高度均相同，且介于所探测的波长量级，柱状结构单元1011的直径介于亚波长量级。进一步地，根据上述柱状结构单元1011的相位及透过率与其直径的关系，确定超表面微结构阵列101中每个位置处柱状结构单元1011的直径，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。本实施例中，高光谱成像系统的分辨波段为400nm-700m的可见光波段，初始物距so为无穷远，超表面透镜结构1的一个周期性微纳结构单元包含一个柱状结构单元1011和一个六方晶格形式的介质衬底层102，周期性微纳结构单元的示意图和俯视图分别由图3和图4所示，采用理论分析估算后结合时域有限差分算法所得的柱状结构单元1011的高度为600nm，周期性微纳结构单元的周期为250nm。进一步地，仿真得到不同直径下的柱状结构单元1011的相位和透过率，其关系示意图如图5所示，本实施例中光谱透过率的需求值为70％，图中阴影区为低透过率区，该直径区域内的柱状结构单元的光谱透过率小于70％，透过率低，光难以透过成像，故舍去直径落在该区域内的柱状结构单元。最终，根据仿真结果确定的超表面微结构阵列101的二维分布如图6所示。进一步地，本实施例中，上述柱状结构单元1011的材料为二氧化钛或者二氧化硅或者非晶硅，所述介质衬底层102的材料为二氧化硅。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所述介质衬底层102的结构参数进行优化，优化得到的介质衬底层102的厚度为0.5mm。
光谱扫描驱动组件3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2的表面。对于波长为λ的光谱分量，光谱扫描驱动组件3控制所述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2的表面。本实施例中，初始物距so为无穷远，在特定波长λ下的超表面透镜的轴向移动距离δ通过如下关系式计算：
其中，D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。在本实施例中，D＝5mm，NA＝0.7，当λ＝510nm，Δλ＝30nm时，δ＝0.15mm。具体的，光谱扫描驱动组件3采用音圈马达结构，
CMOS探测器2用于消除杂散光和探测波段以外的光线，实现探测成像。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。进一步地，本实施例中采用的CMOS探测器2的技术指标如下：工作波段为400-700nm；CMOS阵列像素尺寸为1.0μm；CMOS阵列像素数或分辨率为4640×3488。
为了验证本发明所提出的高光谱成像系统的性能，本发明分别在平面波入射波长为400nm、420nm、450nm、480nm、510nm、550nm、590nm、640nm、700nm场景下的系统性能，在以上各平面波入射波长的情况下，分别仿真超表面透镜1的焦点位置、轴向光场随光谱波长的变化以及在焦点处的聚焦光斑图。其中，超表面透镜1的焦点位置随光谱波长的变化曲线如图7所示，其中，实线为焦点随波长变化曲线，虚线为焦点随波长变化曲线的线性拟合，由图7可知，超表面透镜1的光谱线性拟合系数为0.97，光谱线性度良好。另外，超表面透镜1轴向光场随光谱波长的变化及在焦点处(CMOS探测器的接收面)的聚焦光斑图如图8所示，其中，横坐标表示光轴的位置，纵坐标表示透镜表面的位置，用标识D标出。从图8中的左列图中可以看出，系统各光谱分量在光轴方向上分离，互不干扰；从右列图中可以看出，各光谱分量在CMOS探测器上的聚焦光斑很小，实现了衍射极限聚焦，成像质量良好。通过计算，各光谱分量的透过率大于50％，即光通量高。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
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所述的高光谱成像系统，其特征在于，所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，所述介质衬底层的材料为二氧化硅。
5.根据权利要求2所述的高光谱成像系统，其特征在于，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。
6.根据权利要求1所述的高光谱成像系统，其特征在于，对于波长为λ的光谱分量，所述光谱扫描驱动组件控制所述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所述CMOS探测器表面；
当初始物距s0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s0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+λ0f0λ
C＝λ0f0So
D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。
7.根据权利要求1所述的高光谱成像系统，其特征在于，所述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；
所述探测器窗口用于滤除系统的杂散光及探测波段外的光线；
所述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。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202010137402.1A CN111380612A (zh) | 2020-03-02 | 2020-03-02 | 一种高光谱成像系统 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202010137402.1A CN111380612A (zh) | 2020-03-02 | 2020-03-02 | 一种高光谱成像系统 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN111380612A true CN111380612A (zh) | 2020-07-07 |
Family
ID=71218541
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202010137402.1A Pending CN111380612A (zh) | 2020-03-02 | 2020-03-02 | 一种高光谱成像系统 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN111380612A (zh) |
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112099113A (zh) * | 2020-09-25 | 2020-12-18 | 清华大学 | 一种用于图像传感器的超表面微透镜阵列 |
| CN112987018A (zh) * | 2021-02-08 | 2021-06-18 | 中国科学院光电技术研究所 | 利用平面微纳结构透镜实现大凝视视场探测的激光成像光学系统 |
| CN113155284A (zh) * | 2021-04-20 | 2021-07-23 | 浙江大学 | 一种折衍射混合的光谱编码成像系统和方法 |
| CN113654661A (zh) * | 2021-09-01 | 2021-11-16 | 杭州纳境科技有限公司 | 一种基于超表面透镜的光谱仪 |
| CN114025062A (zh) * | 2021-10-25 | 2022-02-08 | 华中科技大学 | 一种大口径红外超透镜相机 |
| CN114488525A (zh) * | 2022-04-15 | 2022-05-13 | 中国科学院光电技术研究所 | 一种超构表面成像系统、设计方法和探测器 |
| WO2022263296A1 (en) * | 2021-06-15 | 2022-12-22 | Nil Technology Aps | Imaging modules incorporating a metalens |
| WO2023051387A1 (zh) * | 2021-09-30 | 2023-04-06 | 华为技术有限公司 | 一种红外探测器、摄像模组和电子设备 |
Citations (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5479258A (en) * | 1992-12-28 | 1995-12-26 | Pat Industries | Image multispectral sensing |
| CN105487145A (zh) * | 2016-01-20 | 2016-04-13 | 浙江大学 | 一种基于人工微结构超表面构造超薄光学透镜的方法 |
| CN107728236A (zh) * | 2017-10-26 | 2018-02-23 | 鲁东大学 | 产生纳米尺度纵向光斑链的超构表面元件及产生方法 |
| CN207263300U (zh) * | 2017-10-24 | 2018-04-20 | 中国计量大学 | 一种基于超表面结构的光谱仪 |
| CN108318947A (zh) * | 2018-04-08 | 2018-07-24 | 中山大学 | 一种低折射率全介质平面透镜的制作方法 |
| CN108692815A (zh) * | 2017-04-04 | 2018-10-23 | 手持产品公司 | 使用纵向色差的多光谱成像 |
| CN109061780A (zh) * | 2018-09-11 | 2018-12-21 | 鲁东大学 | 一种双波长同轴独立聚焦的超表面透镜 |
| CN110780366A (zh) * | 2019-11-01 | 2020-02-11 | 福州大学 | 一种抗温度干扰的光学超表面聚焦成像元件及其方法 |
| CN111175862A (zh) * | 2020-02-18 | 2020-05-19 | 重庆大学 | 一种全介质平场扫描超分辨平面透镜 |
-
2020
- 2020-03-02 CN CN202010137402.1A patent/CN111380612A/zh active Pending
Patent Citations (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5479258A (en) * | 1992-12-28 | 1995-12-26 | Pat Industries | Image multispectral sensing |
| CN105487145A (zh) * | 2016-01-20 | 2016-04-13 | 浙江大学 | 一种基于人工微结构超表面构造超薄光学透镜的方法 |
| CN108692815A (zh) * | 2017-04-04 | 2018-10-23 | 手持产品公司 | 使用纵向色差的多光谱成像 |
| CN207263300U (zh) * | 2017-10-24 | 2018-04-20 | 中国计量大学 | 一种基于超表面结构的光谱仪 |
| CN107728236A (zh) * | 2017-10-26 | 2018-02-23 | 鲁东大学 | 产生纳米尺度纵向光斑链的超构表面元件及产生方法 |
| CN108318947A (zh) * | 2018-04-08 | 2018-07-24 | 中山大学 | 一种低折射率全介质平面透镜的制作方法 |
| CN109061780A (zh) * | 2018-09-11 | 2018-12-21 | 鲁东大学 | 一种双波长同轴独立聚焦的超表面透镜 |
| CN110780366A (zh) * | 2019-11-01 | 2020-02-11 | 福州大学 | 一种抗温度干扰的光学超表面聚焦成像元件及其方法 |
| CN111175862A (zh) * | 2020-02-18 | 2020-05-19 | 重庆大学 | 一种全介质平场扫描超分辨平面透镜 |
Cited By (15)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112099113A (zh) * | 2020-09-25 | 2020-12-18 | 清华大学 | 一种用于图像传感器的超表面微透镜阵列 |
| CN112099113B (zh) * | 2020-09-25 | 2021-09-21 | 清华大学 | 一种用于图像传感器的超表面微透镜阵列 |
| CN112987018A (zh) * | 2021-02-08 | 2021-06-18 | 中国科学院光电技术研究所 | 利用平面微纳结构透镜实现大凝视视场探测的激光成像光学系统 |
| CN113155284A (zh) * | 2021-04-20 | 2021-07-23 | 浙江大学 | 一种折衍射混合的光谱编码成像系统和方法 |
| CN113155284B (zh) * | 2021-04-20 | 2022-07-26 | 浙江大学 | 一种折衍射混合的光谱编码成像系统和方法 |
| WO2022263296A1 (en) * | 2021-06-15 | 2022-12-22 | Nil Technology Aps | Imaging modules incorporating a metalens |
| CN113654661A (zh) * | 2021-09-01 | 2021-11-16 | 杭州纳境科技有限公司 | 一种基于超表面透镜的光谱仪 |
| CN113654661B (zh) * | 2021-09-01 | 2024-04-09 | 杭州纳境科技有限公司 | 一种基于超表面透镜的光谱仪 |
| WO2023051387A1 (zh) * | 2021-09-30 | 2023-04-06 | 华为技术有限公司 | 一种红外探测器、摄像模组和电子设备 |
| CN114025062A (zh) * | 2021-10-25 | 2022-02-08 | 华中科技大学 | 一种大口径红外超透镜相机 |
| US11815665B2 (en) | 2021-10-25 | 2023-11-14 | Huazhong University Of Science And Technology | Large-aperture infrared metalens camera |
| CN114025062B (zh) * | 2021-10-25 | 2022-07-05 | 华中科技大学 | 一种大口径红外超透镜相机 |
| WO2023025327A1 (zh) * | 2021-10-25 | 2023-03-02 | 华中科技大学 | 一种大口径红外超透镜相机 |
| CN114488525A (zh) * | 2022-04-15 | 2022-05-13 | 中国科学院光电技术研究所 | 一种超构表面成像系统、设计方法和探测器 |
| CN114488525B (zh) * | 2022-04-15 | 2022-08-23 | 中国科学院光电技术研究所 | 一种超构表面成像系统、设计方法和探测器 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN111380612A (zh) | 一种高光谱成像系统 | |
| CN101377569B (zh) | 棱镜-光栅-棱镜光谱成像系统 | |
| CN104501955A (zh) | 一种可实现光谱超分辨率还原的光栅光谱仪 | |
| CN107741275B (zh) | 一种多光谱成像系统 | |
| CN101655391B (zh) | 一种改进的白天星体探测装置 | |
| CN104713648A (zh) | 一种全波段消色差滤片式光谱相机 | |
| CN113188660B (zh) | 一种多维度参数可调的新型快照式偏振光谱成像系统 | |
| CN117213632B (zh) | 一种宽谱调制解调型成像光谱芯片及生产方法 | |
| CN105823558A (zh) | 变间隙法布里-珀罗干涉式长波红外双模光谱成像系统 | |
| CN112097904A (zh) | 基于衍射透镜/变焦透镜阵列的光谱成像系统及方法 | |
| CN113820013A (zh) | 一种基于Fabry–Pérot腔的透射式超构表面多光谱成像仪 | |
| Zhang et al. | Design method of dual-band synchronous zoom optical system based on co-path zoom groups | |
| CN106918393B (zh) | 一种双通道空间外差光谱仪 | |
| CN204495469U (zh) | 一种全波段消色差滤片式光谱相机 | |
| CN210465257U (zh) | 太赫兹波衰减全反射成像的分辨率补偿装置 | |
| KR101176884B1 (ko) | 분광계용 광학계 및 이를 적용한 분광계 | |
| Carolan et al. | Fast charged-coupled device spectrometry using zoom-wavelength optics | |
| CN1177078C (zh) | 一种纳米特性薄膜器件的制备方法 | |
| CN1474162A (zh) | 不可见像的光学成像方法及光学成像装置 | |
| CN113390508B (zh) | 光谱-空间分辨像质优化的短波红外成像方法与装置 | |
| CN220104288U (zh) | 一种可变光谱分辨率的分光成像系统 | |
| CN115508281B (zh) | 基于pbs的双通道高透纯液晶光谱偏振成像系统及测量方法 | |
| CN117968847A (zh) | 一种用于推扫式光谱成像仪的分光成像方法及其系统 | |
| Song et al. | Optical design of a short-wave infrared coded aperture snapshot spectral imager based on Offner–Wynne imaging spectrometer | |
| CN115371810A (zh) | 柱面镜像差校正高分辨光谱探测方法与装置 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20200707 |