一种基于光学超表面的可调滤光片及光谱成像系统

1.本发明涉及一种基于光学超表面的可调滤光片及光谱成像系统，可以应用于遥感、环境/资源及健康监测等领域。


背景技术：

2.光谱成像技术作为一种
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图谱合一”的新型成像手段，可同时获取物体的空间及光谱信息，因而可以得到许多传统成像技术无法探测的信息，在资源探测、环境监测、质量检测、生物工程等领域发挥着越来越重要的作用。传统的光谱成像技术主要利用机械扫描部件进行光谱探测，体积庞大，且稳定性不强，已不能适应器件小型化、紧凑化的发展趋势。基于可调滤光片的凝视型光谱成像系统有望解决传统机械式器件的问题。目前主流的可调滤光片为液晶可调滤光片。但是，这种器件存在两个问题。一方面，这种器件的透过率很低，一般不足10%，这让基于该器件的光谱成像系统的信噪比不高，从而限制了其在暗光、低反射率等场合的使用；另一方面，这一类器件的价格非常昂贵，以thorlabs公司可见光波段的液晶可调滤波器为例，其售价高达6万元人民币，高昂的价格使得其应用范围仅限于军事、科研等少数领域。研制低成本、高透过率的滤光片具有重要的现实意义。


技术实现要素：

3.为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于光学超表面的可调滤光片及光谱成像系统。该基于光学超表面的可调滤光片具有调谐范围大、透过率高、成本低廉等特点。
4.一种基于光学超表面的可调滤光片，从上到下包括偏振片、液晶器件、光学超表面器件；所述的液晶器件包括液晶基底、透明导电层、定向层以及内部的液晶分子层，以液晶分子层为中心上下对称依次为定向层、透明导电层、液晶基底；所述的光学超表面器件从上到下包括微纳结构单元、光学超表面器件基底；所述的微纳结构单元具有各向异性的形状或周期，对偏振敏感。
5.所述的微纳结构单元的周期、尺寸、占空比或者厚度的改变用于调节所述的可调滤光片的透射/反射谱。
6.所述的微纳结构单元为矩形、椭圆形、光栅各向异性单元阵列纳米柱或者孔洞；或者为各向同性的圆、方块结构；材料采用金属，包括金、银或者铝，或者采用高折射率半导体、介质材料，包括硅、氮化硅或者二氧化钛。
7.一种采用所述的可调滤光片的光谱成像系统，包括可调滤光片、成像透镜、ccd、驱动电源、同步信号触发器、数据采集卡，可调滤光片、成像透镜、ccd、数据采集卡依次相连，驱动电源通过同步信号触发器与ccd相连，数据采集卡与驱动电源相连。
8.所述的光谱成像系统，预先标定可调滤光片在不同驱动信号下的光谱响应。
9.所述的光谱成像系统，利用同步信号触发器，同步触发可调滤光片与ccd，借以使得可调滤光片在不同驱动信号下的光谱响应与ccd的强度一一对应。
10.所述的光谱成像系统，利用线性回归或者压缩感知方法从ccd每个像素的强度信息中复原单个像素的光谱信息。
11.本发明的有益效果在于：1.本发明将光学超表面器件与液晶器件结合起来，实现了一种具有偏振敏感特性的液晶可调滤光片，其具有高通光量、大调谐范围、快响应速度，结构紧凑、价格低廉，易于进行大规模生产。
12.2.本发明采用凝视型光谱成像系统，通过线性回归或压缩感知等算法，可以从光强信号中复原出目标原始光谱。该系统可以减少现有光谱成像系统的体积，提高光谱成像的分辨率。
13.3.本发明采用液晶器件进行调控，可以通过电信号进行光谱调谐，摒弃了传统凝视型光谱成像系统中的机械运动部件。
附图说明
14.图1 基于光学超表面液晶可调滤光片的光谱成像系统示意图。
15.图2 光学超表面液晶可调滤光片侧视图。
16.图3 （a）是硅光栅可调滤光片结构示意图；图3（b）可调滤光片两种正交偏振下的透射谱。
17.图4 （a）是银光栅可调滤光片结构示意图；图4（b）是可调滤光片两种正交偏振下的透射谱。
18.图5 （a）是硅纳米柱可调滤光片结构示意图；图5（b）是光学超表面器件的俯视图。
19.图6 （a）是金属孔洞可调滤光片结构示意图；图6（b）是光学超表面器件的俯视图；图6（c）是可调滤光片两种正交偏振下的透射谱。
20.图7 （a）是金属谐振腔可调滤光片结构示意图；图7（b）是可调滤光片两种正交偏振下的透射谱。
21.附图标记说明：可调滤光片1 、成像透镜2 、ccd 3 、驱动电源4、同步信号触发器5、数据采集卡6 、偏振片7 、液晶器件8 、光学超表面器件9、液晶基底10、透明导电层11 、定向层12、液晶分子层13、光学超表面器件基底14、硅光栅15 、银光栅16 、硅纳米柱17 、金属孔洞18、第一反射层19、介质层20、第二反射层21。
具体实施方式
22.以下结合附图和实施例对本发明做进一步的阐述。
23.如图1所示，一种光谱成像系统，包括由基于光学超表面的可调滤光片1、成像透镜2、ccd 3、驱动电源4、同步信号触发器5、数据采集卡6等元件；其中可调滤光片1用来进行光谱分离；成像透镜2用来将物体成像在ccd 3上；驱动电源4用来控制可调滤光片1的滤波特性，使其在目标波段对物体进行光谱扫描；ccd 3在同步信号触发器的控制下，同步采集黑白图像，并获得不同滤波器状态下的目标强度信息；数据采集卡6用来采集信号，并对信号进行处理，最终获得目标物体的图像及光谱信息。
24.这一系统的核心器件为基于光学超表面的可调滤光片1，其具有调节范围大、透过率高、结构紧凑、响应速度快、价格低廉等优点。如图1、2所示，基于光学超表面的可调滤光片由偏振片7、液晶器件8以及光学超表面器件9构成。液晶器件8由液晶基底10、透明导电层11、定向层12以及内部的液晶分子层13组成。定向层12经取向处理，用来取向液晶分子层13。液晶分子层13的取向可以为平行、垂直、混合、扭曲等多种方式；入射光经过偏振片7后进入液晶元件8，向透明导电层11施加一定的电信号，可以改变液晶器件8的相位延迟以及旋光特性，从而可以调控从液晶器件出射的光的偏振状态。
25.光学超表面器件9由具有周期性的、各向异性的结构单元构成，其反射/透射谱对入射光偏振敏感，通过在液晶器件8上施加电信号，可以改变入射到光学超片面器件9的偏振态，从而调控出射光谱。光学超表面器件9包括光学超表面器件基底14及其上的微纳结构单元阵列，通过利用单元阵列的谐振效应调控反射/透射谱，其原理包括但不限于米氏散射谐振器、表面等离子体谐振器、导模共振谐振器、间隙等离子体谐振器等。该结构单元具有各向异性的形状或周期，因而具有偏振敏感特性，对不同的入射光会产生不同的相移与吸收。另外，改变微纳结构单元的周期、尺寸、占空比、厚度等，均可以调节器件的透射/反射谱。
26.更进一步的具体实施中，构成光学超表面器件9的单元阵列可以在不同方向具有相同周期，而其基本单元为矩形、椭圆形、光栅等各向异性单元阵列纳米柱或者孔洞；也可以采用各向同性的圆、方块等结构，但是改变其不同方向周期。其本质在于通过人工纳米结构，使器件具有各项异性响应，对不同偏振入射光产生不同的相位延迟以及吸收。其材料可以采用金、银、铝等金属，也可以使用硅、氮化硅、二氧化钛等高折射率半导体、介质材料。
27.更进一步的具体实施中，微纳结构可以由电子束曝光、紫外曝光、纳米压印、双光束干涉曝光等自下而上的方式制作，也可以由纳米颗粒、dna分子、有机聚合物自组装进行制作。
28.物体反射或透射的光信号进入可调滤光片1，经成像透镜2，成像在ccd 3上，驱动电源4在可调滤光片1上施加特定的电信号，ccd 3同步采集强度信息，并将相应的电信号传输入数据采集卡6，进行数据处理。
29.ccd 3既可以是单通道黑白ccd也可以是多通道彩色ccd，只要得到不同电压（不同透射或反射光谱）下ccd记录到的每一点的强度分布信息，即可复原出物体该点的原始光谱。ccd的输出信号与光谱值之间的关系如式1：其中代表不同电压下ccd 3像素点的输出信号，表示不同驱动电压，代表不同波长，为光源的光谱，代表可调滤光片1的光谱响应，为ccd 3像素点的光谱响应，代表待测物体的反射或透射光谱。其中、
、均可以通过预先标定得到，则式1可简化为式2：式2为一的方程组，矩阵的秩越大，所求光谱的精度越高，通过利用线性回归或压缩感知等算法，可以快速求解该方程，进而获得物体的透射/反射光谱。
30.更进一步的具体实施中，液晶器件8中的液晶分子层13可以采用常见的正性液晶、也可以采用负性液晶，且该液晶器件8可以由施加在上下两基底上的电信号进行垂直驱动，也可以由单个基底上的电信号进行平面驱动。
31.更进一步的具体实施中，偏振片7、液晶器件8、光学超表面器件9可以通过透明介质如二氧化硅、聚合物等进行集成，也可以使用机械结构进行封装固定。
32.更进一步的具体实施中，通过采用适用于红外波段的液晶以及其他光学元件，该方案可以拓展到红外波段。
33.实施例1 基于硅光栅可调滤光片的光谱成像系统如图3（a）所示，硅光栅可调滤光片包括偏振片7、液晶器件8（液晶基底10、透明导电层11、定向层12、液晶分子层13）、光学超表面器件9（光学超表面器件基底14、硅光栅15）。
34.光信号穿过偏振片7，进入液晶器件8中，液晶器件8中的液晶分子层13通过两侧的定向层12，形成平行排列方式。在透明导电层11上设置电极，通过在上下电极上施加电信号，液晶分子层13随外加电场发生偏转，因而导致双折射率δn发生改变，从而导致入射光偏振态发生改变。施加不同电压，则得到不同偏振态的出射光。
35.从液晶器件8出射的光进入射到光学超表面器件9上，如图3（a）所示为一种光学超表面器件的结构，其基本结构为硅光栅15，整个结构制作在光学超表面器件基底14上，其光栅周期小于工作波长。由于结构的各向异性，该光学超表面器件9对入射光偏振敏感，不同偏振入射，其透射/反射谱的强度及相位变化均不相同。通过加电改变液晶器件8的相位延迟，调控入射到光学超表面器件9的偏振态，便可以调控出射光谱。图3（b）为仿真得到的该器件不同偏振下的透射率。
36.最后，在该可调滤光片1上施加不同信号，可以调控出射谱，利用ccd 3获得不同光谱响应下的强度信息，采用线性回归或压缩感知等算法还原出原始光谱。
37.实施例2 基于金属光栅型介质滤光片的光谱成像系统如图4（a）所示，金属光栅型可调滤光片包括偏振片7、液晶器件8（液晶基底10、透明导电层11、定向层12、液晶层13）、光学超表面器件9（光学超表面器件基底14、银光栅结构16）。
38.光信号穿过偏振片7，进入液晶器件8中，液晶器件8中的液晶分子层13通过两侧的定向层12，形成垂直排列方式。在透明导电层11上设置电极，通过在上下透明导电层11上施加电信号，液晶分子层13随外加电场发生偏转，导致双折射率δn发生改变，从而导致入射
光偏振态发生改变。施加不同电压，则得到不同偏振态的出射光。
39.从液晶器件8出射的光进入射到光学超表面器件9上，如图4（a）所示为一种光学超表面器件的结构，其基本结构为银光栅结构16，整个结构制作在光学超表面器件基底14上，其光栅周期小于工作波长。由于结构的各向异性，该光学超表面器件9对入射光偏振敏感，不同偏振入射，其透射/反射谱的强度及相位变化均不相同。通过加电改变液晶器件8的位相延迟，调控入射到光学超表面器件9的偏振态，便可以调控出射光谱。图4（b）为仿真得到的该器件不同偏振下的透射率。
40.最后，在该可调滤光片1上施加不同信号，可以调控出射谱，利用ccd 3获得不同光谱响应下的强度信息，采用线性回归或压缩感知等算法还原出原始光谱。
41.实施例3 基于硅纳米柱可调滤光片的光谱成像系统如图5（a）所示，硅纳米柱可调滤光片包括偏振片7、液晶器件8（液晶基底10、透明导电层11、定向层12、液晶分子层13）、光学超表面器件9（光学超表面器件基底14、硅纳米柱结构17）。
42.光信号穿过偏振片7，进入液晶器件8中，液晶器件8中的液晶分子层13通过两侧的定向层12，形成扭曲排列方式。在透明导电层11上设置电极，通过在上下电极上施加电信号，液晶分子层13随外加电场发生偏转，导致双折射率δn发生改变，从而导致入射光偏振态发生改变。施加不同电压，则得到不同偏振态的出射光。
43.从液晶器件8出射的光进入射到光学超表面器件9上，如图5（a）所示为一种光学超表面器件的结构，其基本结构为硅纳米柱17，整个结构制作在光学超表面器件基底14上。该硅纳米柱17阵列在不同方向具有相同周期，且周期小于探测波段波长，基本单元采用矩形、椭圆等各向异性结构；由于结构的各向异性，该光学超表面器件9对入射光偏振敏感，不同偏振入射，其透射/反射谱的强度及相位变化均不相同。通过加电改变液晶器件8的位相延迟，调控入射到光学超表面器件9的偏振态，便可以调控出射光谱。图5（b）为仿真得到的该器件不同偏振下的透射率。
44.最后，在该可调滤光片1上施加不同电信号，可以调控出射谱，利用ccd 3获得不同光谱响应下的强度信息，采用线性回归或压缩感知等算法还原出原始光谱。
45.实施例4 基于金属孔洞可调滤光片的光谱成像系统如图6（a）所示，金属孔洞可调滤光片包括偏振片7、液晶器件8（液晶基底10、透明导电层11、定向层12、液晶分子层13）、光学超表面器件9（光学超表面器件基底14、金属孔洞结构18）。
46.光信号穿过偏振片7，进入液晶器件8中，液晶器件中的液晶分子层13通过两侧的定向层12，形成扭曲排列方式。在透明导电层11上设置电极，通过在上下透明导电层11上施加电信号，液晶分子层13随外加电场发生偏转，导致双折射率δn发生改变，从而导致入射光偏振态发生改变。施加不同电压，则得到不同偏振态的出射光。
47.从液晶器件8出射的光进入射到光学超表面器件9上，如图6（a）所示为一种光学超表面器件的结构，其基本结构为金属孔洞18，整个结构制作在光学超表面器件基底14上。该金属孔洞19阵列在不同方向具有相同周期，且周期小于探测波段波长，基本单元采用矩形、椭圆、等各向异性结构；由于结构的各向异性，该光学超表面器件9对入射光偏振敏感，不同偏振入射，其透射/反射谱的强度及相位变化均不相同。通过加电改变液晶器件8的位相延
迟，调控入射到光学超表面器件9的偏振态，便可以调控出射光谱。图6（b）为仿真得到的该器件不同偏振下的透射率。
48.最后，在该可调滤光片1上施加不同电信号，可以调控出射谱，利用ccd 3获得不同光谱响应下的强度信息，采用线性回归或压缩感知等算法还原出原始光谱。
49.实施例5 基于金属谐振腔可调滤光片的光谱成像系统如图7（a）所示，金属谐振腔可调滤光片包括偏振片7、液晶器件8（液晶基底10、透明导电层11、定向层12、液晶分子层13）、光学超表面器件9（光学超表面器件基底14、第一反射层19、介质层20、第二反射层21）。
50.光信号穿过偏振片7，进入液晶器件8中，液晶器件8中的液晶分子层13通过两侧的定向层12，形成混合排列方式。在透明导电层11上设置电极，通过在上下电极上施加电信号，液晶分子层13随外加电场发生偏转，导致双折射率δn发生改变，从而导致入射光偏振态发生改变。施加不同电压，则得到不同偏振态的出射光。
51.从液晶器件8出射的光进入射到光学超表面器件9上，如图7（a）所示为一种光学超表面器件的结构，其由第一反射层19、第二反射层21以及中间介质层20构成，整个结构制作在光学超表面器件基底14上。其中，第一反射层19由周期性微纳结构单元构成，其周期小于探测波段波长，基本单元采用矩形、椭圆、等各向异性结构。由于结构的各向异性，该光学超表面器件9对入射光偏振敏感，不同偏振入射，其透射/反射谱的强度及相位变化均不相同。通过加电改变液晶器件8的位相延迟，调控入射到光学超表面器件9的偏振态，便可以调控出射光谱。图7（b）为仿真得到的该器件不同偏振下的透射率。
52.最后，在该可调滤光片1上施加不同电信号，可以调控出射谱，利用ccd 3获得不同光谱响应下的强度信息，采用线性回归或压缩感知等算法还原出原始光谱。
53.上述描述中的实施方案可以进一步组合或者替换，且实施方案仅仅是对本发明的优选实施例进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计思想的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变化和改进，均属于本发明的保护范围。本发明的保护范围由所附权利要求及其任何等同物给出。