[發明專利]一種高光譜成像系統

在審

• 申請號: 202010137402.1
• 申請日: 2020-03-02
• 公開（公告）號: CN111380612A
• 公開（公告）日: 2020-07-07
• 發明（設計）人: 易飛;侯銘銘;張恒
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: G01J3/28
• 分類號: G01J3/28;G01J3/02;G01J3/06
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 李智

1.一種高光譜成像系統，其特征在于，包括：光譜掃描驅動組件，以及沿入射光方向依次放置的超表面透鏡和CMOS探測器；

所述超表面透鏡和所述CMOS探測器的中心點均位于光軸線上，且所述CMOS探測器的位置固定；所述光譜掃描驅動組件與所述超表面透鏡的兩端相連；

所述超表面透鏡用于接收入射光，使入射光進行軸向色散，進而使入射光的不同光譜分量分別聚焦到光軸的不同位置處；

所述光譜掃描驅動組件用于控制超表面透鏡沿著光軸方向移動，實現光譜的軸向掃描，將入射光各光譜分量在光軸上不同位置處的焦點依此移動到所述CMOS探測器表面；

所述CMOS探測器用于消除雜散光和探測波段以外的光線，實現探測成像。

2.根據權利要求1所述的高光譜成像系統，其特征在于，所述超表面透鏡包括：超表面微結構陣列和介質襯底層；

所述超表面微結構陣列位于所述介質襯底層的后表面，其中，所述介質襯底層的后表面為沿著入射光方向，光線后到達的那一面；

所述超表面微結構陣列由一系列柱狀結構單元按照六方晶格周期排列而成，其中，所述柱狀結構單元的高度均相同，且介于所探測的波長量級，所述柱狀結構單元的直徑介于亞波長量級。

3.根據權利要求2所述的高光譜成像系統，其特征在于，根據所述柱狀結構單元的相位及透過率與柱狀結構單元尺寸的關系，確定所述超表面微結構陣列中每個位置處柱狀結構單元的尺寸；其中，所述柱狀結構單元的光譜透過率大于光譜透過率的需求值。

4.根據權利要求2所述的高光譜成像系統，其特征在于，所述柱狀結構單元的材料為二氧化鈦或者二氧化硅或者非晶硅，所述介質襯底層的材料為二氧化硅。

5.根據權利要求2所述的高光譜成像系統，其特征在于，以高成像質量與高光通量為優化目標，利用時域有限差分法對上述介質襯底層的結構參數進行優化。

6.根據權利要求1所述的高光譜成像系統，其特征在于，對于波長為λ的光譜分量，所述光譜掃描驅動組件控制所述超表面透鏡沿光軸向像方移動距離δ，使該光譜分量聚焦到所述CMOS探測器表面；

當初始物距s₀為無窮遠時，計算特定波長λ下的超表面透鏡的軸向移動距離δ的表達式為：

當初始物距s₀為有限遠時，計算特定波長λ下的超表面透鏡的軸向移動距離δ的表達式為：

A(λ)δ²+B(λ)δ+C＝0

其中，

A(λ)＝-s_oλ²+λ₀f₀λ

C＝λ₀f₀S_o

D是超表面透鏡的通光口徑，NA是超表面透鏡的數值孔徑，Δλ是高光譜成像系統的光譜分辨率，S_o是高光譜成像系統的初始物距，λ₀是高光譜成像系統的設計波長，f₀是高光譜成像系統的設計焦距。

7.根據權利要求1所述的高光譜成像系統，其特征在于，所述CMOS探測器包括沿入射光方向依次設置的探測器窗口和CMOS陣列；

所述探測器窗口用于濾除系統的雜散光及探測波段外的光線；

所述CMOS陣列用于對聚焦后的光線實現探測成像，其像素尺寸小于或等于最大入射波長的2倍。