CN115268114A - 一种相变材料超表面光谱调制器及短波红外光谱成像系统 - Google Patents

一种相变材料超表面光谱调制器及短波红外光谱成像系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种相变材料超表面光谱调制器及短波红外光谱成像系统。相变材料超表面光谱调制器是由相变材料GSST组成的全介质超表面，其结构参数可通过压缩感知相干性最小化原理设计优化。高效短波红外单像素光谱成像系统中，携带目标物体空间‑光谱信息的入射光，依次经相变材料超表面光谱调制器和数字微镜阵列进行动态光谱/空间调制，随后被单像素探测器压缩采样，最后通过OMP算法重构目标物体的光谱图像。本发明具有高的可执行性，实现了短波红外光谱图像的高质量重构。

Description

一种相变材料超表面光谱调制器及短波红外光谱成像系统
技术领域
本发明属于光谱成像技术领域，特别涉及一种相变材料超表面光谱调制器以及具有该光谱调制器的高效短波红外单像素光谱成像系统。
背景技术
短波红外光谱成像技术能够获取波长在1-2.5μm范围内的光谱-空间三维数据立方体，是一种超越人类感知的新型视觉感知技术，在遥感、军事、农业、医疗诊断和夜视安防等领域均具有重要的应用价值。然而，传统的短波红外探测器受限于器件的本征暗电流、量子效率和读出噪声，在缩小像元尺寸、扩大面阵尺寸、提升探测灵敏度、降低成本、优化制备工艺等方面均遇到了瓶颈。
而单像素光谱成像技术采用不具备空间分辨率的单点探测器，并通过压缩采样、计算重构的方式实现了高效率的光谱成像，极大地降低了对探测器的要求。因而，借助单像素成像技术实现低成本、高分辨率的短波红外光谱成像已成为目前的研究热点。
在单像素光谱成像技术中，携带光谱图像信息的入射光依次经过光谱和空间维度的调制后被混叠探测。其光谱调制一般通过光栅、棱镜等传统色散元件或是镀膜的数字微镜器件实现。然而这些方式均无法实现动态调控，导致光谱成像系统的采样效率较低，制约了光谱图像的重构质量。因而，设计、制备能够完成动态光谱调制的器件是单像素光谱成像技术中至关重要的部分。
发明内容
本发明提出了一种基于相变材料的超表面动态光谱调制器，以及具有该光谱调制器的单像素光谱成像系统，实现了短波红外光谱图像的高质量重构。
本发明为解决技术问题所采用的技术方案如下：
本发明的一方面提供了一种相变材料超表面光谱调制器，包括衬底和圆柱阵列，其中圆柱阵列位于二氧化硅衬底上，圆柱阵列采用非易失性相变材料GSST；通过控制GSST的晶化率，使得GSST在晶态和非晶态之间变化，实现短波红外范围内透射光谱的动态调控。
本发明的一方面提供了一种高效短波红外单像素光谱成像系统，包括光源、第一中继镜组、第二中继镜组、数字微镜器件、成像镜组、单像素探测器以及权利要求1所述的相变材料超表面光谱调制器。
光源发出的光投射到目标物体上，产生携带光谱-空间三维信息的入射光；该入射光经第一中继镜组后成像在相变材料超表面光谱调制器上进行光谱调制；调制后的光经第二中继镜组后成像在数字微镜器件上，数字微镜器件对入射光进行空间调制；经数字微镜器件反射的光通过成像镜组后被单像素探测器探测；将探测到的信号输入正交匹配追踪算法进行重构，最终得到目标物体的光谱-空间三维数据立方体。
本发明的有益效果：
(1)采用单像素探测器实现高效短波红外光谱成像，有效降低红外光谱成像中探测器的成本要求；
(2)通过相变材料超表面实现短波红外光谱调控，充分利用目标物体在光谱维度的稀疏特性，极大地提升了系统的压缩采样效率，提高光谱图像的重构质量。
附图说明
图1为本发明中短波红外单像素光谱成像系统的系统结构示意图；
图2为本发明中相变材料超表面结构参数优化流程；
图3为本发明的相变材料超表面光谱调制器的结构示意图，
图4为光谱调制器可实现的11种光谱透射率。
具体实施方式
以下结合附图和实例对本发明进一步说明。
一种适用于短波红外(1-2.5μm)的单像素光谱成像系统，包括光源、第一中继镜组、相变材料超表面光谱调制器、第二中继镜组、数字微镜器件、成像镜组、单像素探测器。该系统压缩采样、计算重构过程包括以下步骤：
1)光源发出的光投射到目标物体上，产生携带光谱-空间三维信息的入射光；
2)入射光经第一中继镜组后成像在相变材料超表面光谱调制器上，相变材料超表面动态光谱调制器对入射光进行编号为l(l＝1,2,....,L)的光谱调制；
3)调制后的光经第二中继镜组后成像在数字微镜器件上，数字微镜器件对入射光进行编号为k(k＝1,2,....,K)的空间调制；
4)经数字微镜器件反射的光通过成像镜组后被单像素探测器探测；
5)将探测到的信号输入正交匹配追踪(OMP)算法进行重构，最终得到目标物体的光谱-空间三维数据立方体。
在所述步骤1)中，离散化后的入射光可写成矢量形式f，大小为M·N2，其中M为待重构图像光谱维度的尺寸，N2为空间维度的尺寸。
在所述步骤2)中，相变材料超表面光谱调制器进行光谱调制的总次数为L，对应超表面的L种光谱透过率。光谱调制的矩阵形式为Hr，尺寸为L×M。
在所述步骤3)中，数字微镜器件进行空间调制的总次数为K，调制采用二进制(0代表不透光，1代表透光)的形式。空间调制的矩阵形式为Hc，尺寸为K×N2。
在所述步骤4)中，单像素探测器探测到的信号可写为矢量形式g，大小为L×K。
在所述步骤5)中，正交匹配追踪算法采用的稀疏先验为Ψ，尺寸为M·N2×d，d为稀疏先验中原子的个数。
优选的，所述入射光的尺寸为M＝151，N＝8。
优选的，所述动态光谱调制器调制次数L＝11。
优选的，所述数字微镜器件调制次数K＝64。
本发明还提供了一种由相变材料组成的全介质超表面动态光谱调制器及其结构参数优化算法。
所述超表面结构由位于二氧化硅衬底上的相变材料锗锑硒碲(GSST-2241)圆柱阵列组成。非易失性相变材料GSST在短波红外区域具有较低的损耗，通过控制GSST的晶化率在晶态和非晶态之间变化，改变GSST的介电常数，从而实现透射光谱的动态调控。
所述超表面结构参数优化遵循压缩感知相干性μ最小化原理，即求解下列最小化问题：
Figure BDA0003804531390000041
式中，I为单位矩阵，F为Frobenius范数。
超表面结构参数优化的具体流程包括以下步骤：
1)输入预训练的稀疏先验Ψ；
2)输入随机产生的二进制空间调控矩阵Hc；
3)给定初始相变材料超表面GSST圆柱的结构参数(包括GSST圆柱的高度、直径、周期)，通过有限元数值仿真计算出该相变材料超表面在晶化率变化时可实现的光谱透射率，给出Hr矩阵；
4)循环直到相干性μ收敛：
a)根据梯度下降法修改GSST圆柱的结构参数，更新Hr矩阵；
b)计算相干性μ
优选的，所述GSST圆柱的高度为600nm，直径为570nm，周期为950nm。
实施例：
如图1所示，本发明的短波红外单像素光谱成像系统包括光源1、第一中继镜组2、相变材料超表面光谱调制器3、第二中继镜组4、数字微镜器件5、成像镜组6、单像素探测器7。系统采样、重构过程包括：
1)光源1发出的光投射到目标物体。将目标物体离散化为空间尺寸8*8、光谱尺寸151的三维数据立方体。其中，光谱范围为1000nm-2500nm，光谱间隔为10nm；
2)目标物体经第一中继镜组2后成像在相变材料超表面光谱调制器3上进行编号为l(l＝1,2,....,11)的光谱调制；
3)目标物体通过第一次调制后再经第二中继镜组4后成像在数字微镜器件5上进行k(k＝1,2,....,64)的空间调制；
4)目标物体通过第二次调制后经成像镜组6后被单像素探测器7探测；
5)通过正交匹配追踪算法重构得到目标物体的短波红外光谱图像。
如图2所示，本发明中相变材料超表面光谱调制器的结构参数优化流程：
1)输入预训练的稀疏先验Ψ，尺寸为9664×45000；
2)输入随机产生的二进制空间调控矩阵Hc，尺寸为64×64；
3)给定初始相变材料超表面GSST圆柱的高度、直径和周期，通过有限元数值仿真计算出该相变材料超表面在晶态和非晶态之间均匀变化时可实现的11种光谱透射率，并写出Hr矩阵，尺寸为11×151；
4)循环直到相干性μ收敛：
a)根据梯度下降法修改GSST圆柱的结构参数，更新Hr矩阵；
b)计算相干性μ
如图3所示，在二氧化硅衬底32上，经结构参数优化后GSST圆柱31的高度为600nm，直径为570nm，周期为950nm。通过调控GSST的晶化率在晶态与非晶态之间以10％的间隔均匀变化，可在短波红外1000nm-2500nm的波长范围内实现11种不同的透射光谱，见图4，从而达到动态调控的目标。
以上所述仅为本发明的较佳实施举例，并不用于限制本发明，凡在本发明精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种相变材料超表面光谱调制器，其特征在于，包括衬底和圆柱阵列，其中圆柱阵列位于二氧化硅衬底上，圆柱阵列采用非易失性相变材料GSST；通过控制GSST的晶化率，使得GSST在晶态和非晶态之间变化，实现短波红外范围内透射光谱的动态调控。
2.根据权利要求1所述的一种相变材料超表面光谱调制器，其特征在于，所述的短波红外的波长为1μm -2.5 μm。
3.根据权利要求1所述的一种相变材料超表面光谱调制器，其特征在于，所述圆柱阵列中的圆柱高度、直径和周期依据压缩感知相干性最小化原理进行优化。
4.一种短波红外单像素光谱成像系统，包括光源、第一中继镜组、第二中继镜组、数字微镜器件、成像镜组、单像素探测器以及权利要求1所述的相变材料超表面光谱调制器，其特征在于：
光源发出的光投射到目标物体上，产生携带光谱-空间三维信息的入射光；该入射光经第一中继镜组后成像在相变材料超表面光谱调制器上进行光谱调制；调制后的光经第二中继镜组后成像在数字微镜器件上，数字微镜器件对入射光进行空间调制；经数字微镜器件反射的光通过成像镜组后被单像素探测器探测；将探测到的信号输入正交匹配追踪算法进行重构，最终得到目标物体的光谱-空间三维数据立方体。
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