光谱芯片中随机形状单元的生成方法、装置及光谱芯片

本发明涉及光谱，尤其涉及一种光谱芯片中随机形状单元的生成方法、装置及光谱芯片。

背景技术：

1、传统的光谱仪需要精密的分光元件，设备复杂、体积较大；而目前的微型光谱仪利用规则形状单元的微纳结构阵列对入射光进行调制，再借助算法从探测器响应中恢复出入射光的频谱信息。

2、例如，参见图1所示，在光调制层1的各单元中设有若干个穿于底板内的微纳孔，微纳孔的截面形状包括圆形、椭圆形、十字形、正多边形、星形或矩形。但该方法采用规则形状单元，通过改变周期、占空比、角度等结构参数，所能实现的光谱调制作用有限，从而限制了光谱恢复的精度，而且难以进一步缩小器件的尺寸。

技术实现思路

1、本发明提供一种光谱芯片中随机形状单元的生成方法、装置及光谱芯片，用以克服现有技术中微型光谱仪采用规则形状单元而导致光谱恢复的精度不高的缺陷，实现对入射光频谱的高精度测量。

2、一方面，本发明提供一种光谱芯片中随机形状单元的生成方法，包括：生成初始矩阵，并对所述初始矩阵进行傅里叶逆变换，获取与所述初始矩阵相应的水平集函数；基于所述水平集函数，生成所述光谱芯片中的所述随机形状单元。

3、进一步地，所述生成初始矩阵，之后还包括：对生成的所述初始矩阵进行补零操作，得到对应的高维矩阵；相应的，所述对所述初始矩阵进行傅里叶逆变换，获取相应的水平集函数，包括：对所述高维矩阵进行傅里叶逆变换，得到所述水平集函数。

4、进一步地，所述初始矩阵为低维矩阵或高维矩阵；其中，所述初始矩阵的维度越低，则对应生成的所述随机形状单元的特征数量越少，且所述随时形状单元的边缘越平滑。

5、进一步地，所述基于所述水平集函数，生成所述光谱芯片中的所述随机形状单元，包括：通过三维曲面表示所述水平集函数；对所述三维曲面进行切片处理，得到所述随机形状单元。

6、进一步地，所述对所述三维曲面进行切片处理，包括：基于所述三维曲面，确定目标切片平面；根据所述目标切片平面，对所述三维曲面进行切片处理。

7、进一步地，所述三维曲面上的点与所述高维矩阵中的矩阵元素一一对应；其中，所述三维曲面上点的z轴坐标值为所述高维矩阵中的所述矩阵元素。

8、进一步地，所述基于所述三维曲面，确定目标切片平面，包括：根据预设特定值确定所述目标切片平面；所述预设特定值为所述高维矩阵中的所述矩阵元素，或者为所述高维矩阵中最大矩阵元素与最小矩阵元素之间的任意数值。

9、进一步地，所述随机形状单元为二值形状；其中，所述二值形状中大于所述预设特定值的矩阵元素取1，小于所述预设特定值的矩阵元素取0，所述二值形状中的0和1分别代表空气和介质。

10、进一步地，所述生成初始矩阵，包括随机生成具有几何对称性的所述初始矩阵；相应地，所述生成所述光谱芯片中的所述随机形状单元，包括：生成具备所述几何对称性的所述随机形状单元；其中，所述几何对称性包括中心反演对称性、二重旋转对称性、四重旋转对称性、关于x轴的镜像对称性以及关于y轴的镜像对称性中的一种或多种组合。

11、第二方面，本发明还提供一种光谱芯片中随机形状单元的生成装置，包括：矩阵生成及处理模块，用于生成初始矩阵，并对所述初始矩阵进行傅里叶逆变换，获取与所述初始矩阵相应的水平集函数；随机形状单元生成模块，用于基于所述水平集函数，生成所述光谱芯片中的所述随机形状单元。

12、第三方面，本发明还提供一种基于上述任一项所述的光谱芯片中随机形状单元的生成方法的光谱芯片，包括：光调制层、cis晶圆和信号处理电路；所述光调制层包括多个光调制单元，所述光调制单元由多组微纳结构阵列组成，所述微纳结构阵列是由所述随机形状单元组成的二维光栅；每一组所述微纳结构阵列对应所述cis晶圆上的一个或多个像素点；所述cis晶圆用于探测由多组微纳结构阵列对入射光进行调制得到的光信号强度，并将所述光信号强度转换为电信号；所述信号处理电路用于对所述cis晶圆探测并转换得到的所述电信号进行处理，得到包含所述入射光的频谱信息的图像。

13、第四方面，本发明还提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述任一项所述光谱芯片中随机形状单元的生成方法的步骤。

14、第五方面，本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上述任一项所述的光谱芯片中随机形状单元的生成方法的步骤。

15、第六方面，本发明还提供一种计算机程序产品，包括计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上述任一项所述的光谱芯片中随机形状单元的生成方法的步骤。

16、本发明提供的一种光谱芯片中随机形状单元的生成方法，通过对生成的初始矩阵进行傅里叶逆变换，获取相应的水平集函数，并基于该水平集函数，生成光谱芯片中的随机形状单元。由于各组微纳结构阵列都是由生成的随机形状单元组成，因此，对于包括多组微纳结构阵列的光调制层而言，包含了该方法生成的各种不同的随机形状单元，使得光调制层对入射光具备丰富的光谱调制特性，从而有利于克服光谱恢复精度的限制，实现对入射光频谱的高精度测量，有效提高了光谱恢复的精度，并且还能够减小光谱器件的体积和成本。

技术特征：

1.一种光谱芯片中随机形状单元的生成方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的光谱芯片中随机形状单元的生成方法，其特征在于，所述生成初始矩阵，之后还包括：

3.根据权利要求1所述的光谱芯片中随机形状单元的生成方法，其特征在于，所述初始矩阵为低维矩阵或高维矩阵；

4.根据权利要求2所述的光谱芯片中随机形状单元的生成方法，其特征在于，所述基于所述水平集函数，生成所述光谱芯片中的所述随机形状单元，包括：

5.根据权利要求4所述的光谱芯片中随机形状单元的生成方法，其特征在于，所述对所述三维曲面进行切片处理，包括：

6.根据权利要求5所述的光谱芯片中随机形状单元的生成方法，其特征在于，所述三维曲面上的点与所述高维矩阵中的矩阵元素一一对应；其中，所述三维曲面上点的z轴坐标值为所述高维矩阵中的所述矩阵元素。

7.根据权利要求6所述的光谱芯片中随机形状单元的生成方法，其特征在于，所述基于所述三维曲面，确定目标切片平面，包括：

8.根据权利要求7所述的光谱芯片中随机形状单元的生成方法，其特征在于，所述随机形状单元为二值形状；

9.根据权利要求1-8中任一项所述的光谱芯片中随机形状单元的生成方法，其特征在于，所述生成初始矩阵，包括

10.一种光谱芯片中随机形状单元的生成装置，其特征在于，包括：

11.一种基于权利要求1-9中任一项所述的光谱芯片中随机形状单元的生成方法的光谱芯片，其特征在于，包括：

12.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1至9任一项所述光谱芯片中随机形状单元的生成方法的步骤。

13.一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至9任一项所述的光谱芯片中随机形状单元的生成方法的步骤。

14.一种计算机程序产品，包括计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至9任一项所述的光谱芯片中随机形状单元的生成方法的步骤。

技术总结
本发明提供一种光谱芯片中随机形状单元的生成方法、装置及光谱芯片，其中的方法包括：生成初始矩阵，并对初始矩阵进行傅里叶逆变换，获取与初始矩阵相应的水平集函数；基于水平集函数，生成光谱芯片中的随机形状单元。由于各组微纳结构阵列都是由生成的随机形状单元组成，因此，对于包括多组微纳结构阵列的光调制层而言，包含了该方法生成的各种不同的随机形状单元，使得光调制层对入射光具备丰富的光谱调制特性，从而有利于克服光谱恢复精度的限制，实现对入射光频谱的高精度测量，有效提高了光谱恢复的精度，并且还能够减小光谱器件的体积和成本。

技术研发人员：崔开宇,杨家伟,黄翊东,张巍,冯雪,刘仿
受保护的技术使用者：清华大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/17