【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及光谱仪，具体涉及一种基于近场耦合光谱编码层结构的高空间分辨率微型成像光谱检测装置及光谱检测方法。
技术介绍
1、光谱是物质的固有特征，通过分析光谱可以揭示物质的化学组成成分，在材料分析、食品安全、医学诊断和生物成像等领域有广泛的应用。传统的光谱仪通常由棱镜、光栅等分光器件通过复杂的光路实现光谱成像，受衍射效应限制，其光谱分辨率与光程存在正比关系，因此普遍存在体积大、集成度低、成本昂贵的缺点，严重限制了在内窥镜、水下探测等特殊场景的应用。随着市场上对集成化器件的需求增多，紧凑型光谱仪的研究成为了一个重要的课题。近几十年来，傅里叶变换光谱仪、微环谐振腔和光波导耦合已被用于缩小光谱器件的体积。其中，傅里叶变换光谱仪具有高光谱分辨率和高信噪比，但是需要扫码光程差以获得相干图，导致光谱数据采集速度慢，难以应对随时间强烈变化的动态光谱信号。微环谐振腔和光波导耦合光谱仪因其较小的尺寸可以集成到微型光学系统中，但是光谱分辨率受到制造工艺的限制，对微纳技术的要求较高。
2、计算型光谱仪利用光学手段对未知光谱编码并通过算法完成光谱解码，有望实现快照式光谱成像，是光谱成像技术发展的重要方向。其中，基于光学超表面的光谱编码可通过自由空间光路成像，并且可通过标准化cmos工艺制备大面积阵列样品，为实现快照式宽场光谱成像提供了重要思路。光学超表面因其具有结构紧凑、易于与coms芯片集成等优点成为光谱编码方式的首选方案。此外，随着压缩感知、神经网络等算法的快速发展，这为基于计算重构型微型光谱仪快速解码提供了技术支持。2013年，美国
3、然而，虽然周期性光学超表面编码原则上可实现快照式光谱成像，但传统超表面窄线宽响应共振源于周期性亚波长结构单元之间非局域耦合，为了实现窄线宽编码，需大幅增加亚波长结构周期数，必然造成空间分辨率显著降低(≥15μm×15μm)，使得光谱成像仪无法兼顾成像空间分辨率和光谱分辨率。虽然f-p腔可实现高空间分辨率(～5μm×5μm或3.6um×3.6um)，但其存在器件品质因子低的问题，无法实现窄线宽光谱编码。
技术实现思路
1、针对现有技术中存在的上述问题，本申请提供了一种高空间分辨率微型成像光谱检测装置和光谱检测方法，通过利用高深宽比亚波长微结构导波模式共振机制，以及利用亚波长微结构间局域耦合效应在极少数量的亚波长单元下实现高品质因子光谱编码，进而实现单像素尺寸下(可小于5μm×5μm)的高品质因子光谱编码以及光谱检测，从而解决传统超表面编码器无法兼顾高空间分辨率和高光谱分辨的难题。
2、一方面，本专利技术提供了一种具有离散设计的超表面的近场耦合光谱编码层结构，用于对待测光束的光谱进行光谱编码。所述近场耦合光谱编码层结构是由多个具备上下通光的二值化离散超表面组成的阵列，所述二值化离散超表面的基本单元为亚波长微结构。
3、一方面，本专利技术提供了一种基于近场耦合光谱编码层结构的高空间分辨率微型成像光谱检测装置，该高空间分辨率微型成像光谱检测装置用于对待测光束进行微型成像并对其光谱分布进行检测。所述高空间分辨率微型成像光谱检测装置包括前述近场耦合光谱编码层结构，以及与近场耦合光谱编码层结构连接的光电探测阵列。在使用时，使待测光束依次经过近场耦合光谱编码层结构，光谱编码层以优化设计的二值化离散超表面作为基本单元，二值化离散超表面中的亚波长微结构在导波模式共振作用下实现高品质因子光谱编码。微型成像光谱仪中的光电探测阵列测得经二值化离散超表面光谱编码后的透射光束的强度值并输入服务器中，经光谱重构算法重构后得到入射光束的光谱分布和图像数据。
4、另一方面，本专利技术提供了一种基于近场耦合光谱编码层结构的微型成像光谱检测方法，包括：首先确定近场耦合光谱编码层结构的离散设计超表面分布方式，之后确定待测光束并使待测光束垂直进入并通过近场耦合光谱编码层结构，利用光电探测阵列获取通过近场耦合光谱编码层结构后的编码数据后，对所述编码数据恢复出待测光束的光谱分布，完成对待测光束的光谱编码。
5、本专利技术的有益效果是：
6、1、本专利技术提供的基于近场耦合光谱编码层结构的高空间分辨率微型成像光谱检测装置可以克服以往成像光谱仪无法兼顾成像空间分辨率和光谱分辨率的问题。高空间分辨率微型成像光谱检测装置的光谱编码层结构中包括二值化离散分布的光学超表面阵列，该光学超表面阵列利用亚波长微结构间的局域耦合在极少数量的亚波长单元下实现高品质因子光谱编码，可实现单像素级编码小于5μm×5μm。该设计使具有紧凑结构的微型成像光谱检测装置设计成为可能。
7、2、本专利技术提供了近场耦合光谱编码层结构中二值化离散超表面的结构设计由优化方法进行离散优化设计，相较于传统低效率依靠经验设计的方法，该设计方法为实现高效批量产生超表面结构提供了可行的方法案例。
8、3、本专利技术提供了一种基于近场耦合光谱编码层结构的高空间分辨率微型成像光谱检测方法，利用高深宽比亚波长微结构导波模式共振机制和亚波长微结构间局域耦合原理在极少数量的亚波长单元下实现高品质因子光本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种高空间分辨率微型成像光谱检测装置，用于对待测光束进行微型成像以及光谱分布检测，其特征在于，所述微型成像光谱装置至少包括近场耦合光谱编码层结构，以及与近场耦合光谱编码层结构连接的光电探测阵列；所述近场耦合光谱编码层结构用于将待测光束进行光谱编码。
2.如权利要求1所述的高空间分辨率微型成像光谱检测装置，其特征在于，所述近场耦合光谱编码层结构为由多个具备上下通光的二值化离散超表面组成的阵列；每个二值化离散超表面包括多个由亚波长微结构表示的基本单元，所有亚波长微结构按照编码设计组成二值化离散超表面。
3.如权利要求1所述的高空间分辨率微型成像光谱检测装置，其特征在于，所述亚波长微结构的尺寸与待测波长为同一量级；所述亚波长微结构的有效高度h大于等于三倍的待测波长，最小宽度w小于等于半个待测光波长，且亚波长微结构之间的横向间隔尺寸g小于等于半个待测波长。
4.如权利要求1所述的高空间分辨率微型成像光谱检测装置，其特征在于，所述亚波长微结构为柱状结构或孔状结构或三角棱形结构；所述亚波长微结构由高折射率材料构成。
5.如权利要求1所述的高
6.如权利要求1所述的高空间分辨率微型成像光谱检测装置，其特征在于，所述二值化离散超表面是指将待刻蚀材料表面离散为0或1的网格结构分布，其中0表示经过加工刻蚀，1表示未经过加工刻蚀。
7.如权利要求1所述的高空间分辨率微型成像光谱检测装置，其特征在于，所述近场耦合光谱编码层机构的离散设计超表面被划分为四个相同大小的区域，四个区域上的二值化分布为对称分布。
8.如权利要求7所述的高空间分辨率微型成像光谱检测装置，其特征在于，所述光电探测阵列中至少包含用于光电信号转换的传感器以及成像模块，所述近场耦合光谱编码层结构集成在光电探测阵列上，同时所述近场耦合光谱编码层结构与探测阵列之间为位置相对应的纳米级定位。
9.如权利要求8所述的高空间分辨率微型成像光谱检测装置，其特征在于，利用导波模式之间的局域耦合作用引入光谱调制，并结合逆向优化设计方法实现批量近场耦合编码光谱层结构的批量产生。
10.一种高空间分辨率微型成像光谱检测方法，所述光谱检测方法是基于权利要求1-9任一所述的高空间分辨率微型成像光谱检测装置实现的，其特征在于，包括：首先确定多个近场耦合光谱编码超表面的二值化离散分布方式，使其相关系数最低；其次应用可调谐单色光束垂直通过近场耦合光谱编码层结构，扫描入射光波长对近场耦合二值离散化超表面阵列透射率进行标定；利用光电探测阵列获取通过近场耦合光谱编码层结构后的光谱编码数据，对所述光谱编码数据进行处理恢复出待测光束的光谱分布，完成对待测光束的光谱检测。
...【技术特征摘要】
1.一种高空间分辨率微型成像光谱检测装置，用于对待测光束进行微型成像以及光谱分布检测，其特征在于，所述微型成像光谱装置至少包括近场耦合光谱编码层结构，以及与近场耦合光谱编码层结构连接的光电探测阵列；所述近场耦合光谱编码层结构用于将待测光束进行光谱编码。
2.如权利要求1所述的高空间分辨率微型成像光谱检测装置，其特征在于，所述近场耦合光谱编码层结构为由多个具备上下通光的二值化离散超表面组成的阵列；每个二值化离散超表面包括多个由亚波长微结构表示的基本单元，所有亚波长微结构按照编码设计组成二值化离散超表面。
3.如权利要求1所述的高空间分辨率微型成像光谱检测装置，其特征在于，所述亚波长微结构的尺寸与待测波长为同一量级；所述亚波长微结构的有效高度h大于等于三倍的待测波长，最小宽度w小于等于半个待测光波长，且亚波长微结构之间的横向间隔尺寸g小于等于半个待测波长。
4.如权利要求1所述的高空间分辨率微型成像光谱检测装置，其特征在于，所述亚波长微结构为柱状结构或孔状结构或三角棱形结构；所述亚波长微结构由高折射率材料构成。
5.如权利要求1所述的高空间分辨率微型成像光谱检测装置，其特征在于，所述亚波长微结构的上下表面形成纳米腔，所述亚波长微结构的两个端面形成法布里-珀罗共振模式或者导波模式，相邻的亚波长微结构之间形成近场耦合效应。
6.如权利要求1所述的高空间分辨率微型成像光谱检测装置，其特...
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