[發明專利]基于超構表面的時域分光光譜成像芯片

有效

• 申請號: 202110775335.0
• 申請日: 2021-07-09
• 公開（公告）號: CN113686437B
• 公開（公告）日: 2022-11-08
• 發明（設計）人: 胡躍強;賴嘉杰;婁少臻;李苓;段輝高
• 申請（專利權）人: 湖南大學
• 主分類號: G01J3/28
• 分類號: G01J3/28
• 代理公司: 北京睿博行遠知識產權代理有限公司 11297
• 代理人: 董自亮

本發明公開了基于超構表面的時域分光光譜成像芯片，分別依次是CMOS圖像處理器、超構表面基底、ITO導電層Ⅰ、動態超構表面結構、ITO導電層Ⅱ。新的超構表面通過亞波長厚度的薄層結構可以進行光的調控，基于米氏共振理論利用介質超構表面實現的濾波器克服了高損耗、低效率的缺點，并且可以通過改變亞波長結構的尺寸實現波長選擇功能，把不同尺寸的亞波長結構在小幅面范圍內陣列，實現在單個芯片上的寬波段范圍內的窄波長濾波。在此基礎上，時分濾波方式是通過在濾波器上集成相變材料、液晶材料等折射率可變材料，充分利用時間維度，通過電控手段實現濾波波峰的時間動態變化，而無需通過調整并陣列亞波長結構的方法進行多通道的濾波。

技術領域

本發明涉及一種基于超構表面的時域分光光譜成像芯片，屬于光譜成像技術領域。

背景技術

光譜成像儀是將光譜特征以及空間圖像信息相結合的設備，當中的核心技術就是光譜成像技術，其主要作用就是將物質吸收或發射出的成分復雜的光進行空間分光、調制處理或者計算近似等，來還原入射光的光譜信息，在無損的基礎上對物質的組成成分和相對含量進行分析。光譜成像儀通常由光學部分與控制顯示部分所組成，其中光學部分決定了光譜成像儀的光學性能(如光譜分辨率、光譜靈敏度、成像效率等)，根據光學系統對光的重構原理可以將多光譜成像儀分為三大類：色散型光譜成像儀、濾波型光譜成像儀以及調制型光譜成像儀。

色散型光譜成像儀是利用色散元件如棱鏡、衍射光柵，把光信號在空間上按波長分散為多條光束并聚焦在光電探測器上；調制型多光譜成像儀則是利用調制原理(如傅里葉變換)的圓孔進光的非空間分光。這兩種多光譜成像儀都面臨著重量大、體積大的缺點，為了適應當前設備輕量化、微型化的特點，使用濾波器作為分光元件可以實現與光電探測器在垂直維度上的堆疊，大大減小光學系統的重量及體積，并且實現了光譜和空間圖像區域的連續取樣。而對于濾波器的選擇，目前絕大部分的濾波器可以大致分為兩種：平面分布的多通道窄帶濾波器，以及平面分布的多通道寬帶濾波器，并可以將他們統稱為空分濾波分光濾波方法，前者與色散分光的重構方法類似，后者是利用基于壓縮感知等算法進行計算近似重構光譜。兩者相比較，利用窄帶濾波器的重構方法需要對濾波器的濾波性能(如半峰寬、濾波效率等)要求非常高；利用寬帶濾波器的重構方法可以對寬帶濾波器有較為寬松的要求，但對算法優化的要求非常高，但無論是窄帶濾波還是寬帶濾波都是基于空分濾波分光方法，必須通過增加濾波通道來增加重構光譜的精度，意味著在增強光譜成像性能的同時需要增加平面尺寸而犧牲了光譜成像儀的輕便性。

本發明提出一種新的濾波性光譜成像芯片技術——基于超構表面的時分濾波分光光譜成像芯片。新的超構表面通過亞波長厚度的薄層結構可以進行光的調控，基于米氏共振理論利用介質超構表面實現的濾波器克服了高損耗、低效率的缺點，并且可以通過改變亞波長結構的尺寸實現波長選擇功能，把不同尺寸的亞波長結構在小幅面范圍內陣列，實現在單個芯片上的寬波段范圍內的窄波長濾波。在此基礎上，時分濾波方式是通過在濾波器(如剛才所說的超構表面濾波器)上集成相變材料、液晶材料等折射率可變材料，充分利用時間維度，通過電控手段實現濾波波峰的時間動態變化，而無需通過調整并陣列亞波長結構的方法進行多通道的濾波，意味著我們可以僅用單通道的濾波器即可以實現極小面積上的光譜成像功能。將超構表面與相變材料相結合實現的時分濾波方法，既在三維尺寸上是實現極致的縮減，又可以實現高質量的光譜重構且無需高難度的計算優化算法，對于光譜成像儀性能、體積、重量、簡易性上無疑是最好的選擇。

空分窄帶濾波分光方法局限于在二維平面上布置多個窄帶濾波通道來提高重構光譜的性能(如光譜分辨率、重構精度等)，因此不可避免地需要占用相對較大的面積。同時利用窄帶濾波實現的光譜重建對于窄帶濾波的性能要求非常高，例如波峰精準、半峰寬小、效率高等。對于窄帶濾波的超構表面而言，微納制造技術制備高精度、穩定的微納結構是相對困難的，而布置多通道的窄帶濾波片無疑于增加微納結構制備的難度。