【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及高光谱成像，更具体地，涉及一种基于角度弱敏感超表面的高光谱成像装置。
技术介绍
1、高光谱成像技术是一种结合了光学成像与光谱探测的三维信息(包括二维空间信息和一维光谱信息)获取技术，通过分析图像获得物体的几何特征与光谱特征。它将获取光谱信息的元件与成像系统进行组合，光谱元件提供单个光谱i(λ)，成像系统提供每个像素强度i(x,y)，共同组成i(x,y,λ)的光谱数据立方体。
2、高光谱成像技术应用广泛，它最初应用于航空遥感领域，随着技术朝着小型化和集成化的趋势发展，在精准农业、环境监测和保护、食品的无损鉴别和筛选、文物修复、生物医学的疾病诊断和手术指导等领域均有广泛的应用。
3、根据原理不同，现有的成像光谱仪可划分为色散型、滤波型、傅里叶干涉型和计算重建型四种。早期的高光谱成像光谱仪主要基于色散的核心原理进行设计，器件的优劣关键在于微加工的精度以及光刻和蚀刻技术的水平，这种色散型光谱仪的光谱分辨率较高，但光路复杂，光谱分辨率严重依赖于光程长度，导致其难以小型化。相比之下，滤波型光谱仪显得更加紧凑，不需要分离光谱滤波元件和检测器，应用也较多，但其光谱分辨率受到光谱通道数量和成本的限制。傅里叶干涉型光谱仪能够提供更高的信噪比，仅需一个探测器即可完成探测，但由于器件具有运动部件而使得稳定性较差。随着对光谱仪集成化、微型化需求的增加，计算重建型的微光谱仪渐渐展露锋芒，它突破了传统元件的限制，用高速的算力取代了分光元件的负荷，易于微型化和集成。同时，得益于较小的物理尺寸和较低的处理成本，这种超紧凑的高
4、传统的光谱器件体积和质量普遍较大，导致高光谱成像系统的结构复杂、体积庞大、难以集成，不仅成像速度慢，光谱分辨率也受到光学路径或光谱通道数量的限制。超表面作为一种亚波长的二维平面结构，能够捕获并辐射或散射入射光，从而实现对电磁波振幅、频率、相位和偏振的自由调控，更加灵活地获取光谱信息。基于超表面的计算重建型高光谱成像光谱仪具有更大的设计自由度，单元数量远小于光谱通道数量，具有较好的cmos兼容性，易于微型化和集成化，因而博得了国内外学者的广泛关注。但超表面作为一种光学调制元件，存在角度色散的问题，当电磁波以倾斜的方式入射时，其光谱响应会出现偏差，并随着角度的增大而愈加明显，使得光谱重建的效果严重依赖于角度的鲁棒性，这阻碍了基于超表面的高光谱成像技术的发展。
5、现有的科学研究中，常常采用加入准直器件或进行事先标定的方法来防止角度带来的干扰。准直器件的加入能够保证电磁波以正入射的形式进入超表面，但额外的元件将使得系统体积增大，结构变得复杂，也进一步增加了成本。而进行事先的标定需要在每一次实验前重复进行，需要有对应标定的设备，也不利于实际的操作。现有的商业高光谱相机的视场角一般为30°左右，成像也需要较长的工作距离和进行事先的标定，冗余的操作步骤和不可避免的大工作距离给实际应用造成了干扰，一旦工作距离变小，角度带来的光谱畸变将严重阻碍光谱信息的正确读取，给高光谱成像技术的发展和应用带来了挑战。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于解决以上现有技术中高光谱成像装置的体积大、视场角小和成像效果差的问题，提供了一种基于角度弱敏感超表面的高光谱成像装置，其能实现减小高光谱成像装置的体积和增大高光谱成像装置的视场角，且具有更好的成像效果。
2、为实现上述本专利技术目的，采用的技术方案如下：
3、一种基于角度弱敏感超表面的高光谱成像装置，包括：衬底和若干个以c4结构对称的方式设置于衬底表面的光学天线；所述衬底和若干个以c4结构对称的方式设置于衬底表面的光学天线组合形成超表面超级单元；所述若干个超表面超级单元组合形成超表面超级单元阵列。
4、优选地，所述超表面超级单元整体呈正方形结构。
5、优选地，所述超表面超级单元划分为2n×2n个子单元；不同所述光学天线以预设规律排布在各个子单元中；n为正整数；每个所述子单元的大小相同；每个子单元中所设置的光学天线的数量为0或1。
6、优选地，呈c4结构对称的子单元具有相同的编号，相同编号的子单元中的光学天线的几何参数相同；所述几何参数包括高度和横截面尺寸；所述2n×2n的子单元阵列共具有n(n+1)/2种编号。
7、优选地，所述光学天线整体为柱状结构；所有光学天线的几何参数均在亚波长范围内；所有光学天线的高度相同；所有光学天线横截面的几何形状相同。
8、优选地，不同编号的子单元中的光学天线的横截面尺寸均不同。
9、优选地，不同编号的子单元中的光学天线的横截面尺寸均相同。
10、优选地，部分不同编号的子单元中的光学天线的横截面尺寸相同，另一部分不同编号的子单元中的光学天线的横截面尺寸不同。
11、优选地，光学天线在超表面超级单元中的排布位置及横截面尺寸通过如下方式确定：
12、生成具有随机排布位置、随机横截面尺寸且以c4结构对称的方式排布的光学天线的超表面超级单元；
13、通过严格耦合波分析方法或时域有限差分方法，计算所生成的超表面超级单元的透射光谱；所述透射光谱包括正入射透射光谱和最大斜入射角度透射光谱；
14、根据超表面超级单元在正入射和最大斜入射角度下的透射光谱计算超表面超级单元的平均角度灵敏度与平均相关性，以所述超表面超级单元的平均角度灵敏度与平均相关性的加权和作为机器学习算法的目标函数，采用具有所述目标函数的机器学习算法对所生成的超表面超级单元中各光学天线的排布位置及横截面尺寸进行优化；
15、当目标函数取得最小值时，得到光学天线在超表面超级单元中的排布位置及横截面尺寸。
16、优选地，所述目标函数，其计算公式表示如下：
17、
18、其中，f表示目标函数，表示平均角度灵敏度，表示平均相关性，e(.)表示平均值，‖‖1表示l-1范数，i和j表示不同的超表面超级单元，t表示超表面超级单元的透射光谱，δ表示超表面超级单元的透射光谱的标准差，ti1和tj1表示超表面超级单元的正入射透射光谱，ti2表示超表面超级单元的最大斜入射角度透射光谱，δi1和δj1表示超表面超级单元的正入射透射光谱的标准差，α表示权重因子。
19、本专利技术的有益效果如下：
20、本专利技术提供了一种基于角度弱敏感超表面的高光谱成像装置，该装置相比于传统的高光谱成像装置，衬底和若干个以c4结构对称的方式设置于衬底表面的光学天线组合形成超表面超级单元，再将若干个超表面超级单元组合形成超表面超级单元阵列，实现了减小高光谱成像装置的体积和增大高光谱成像装置的视场角，本专利技术结构简单，易于微型化和集成化，有利于实现高角度鲁棒性、高光谱分辨率、高光谱重构保真度的高光谱成像。
本文档来自技高网...【技术保护点】
1.一种基于角度弱敏感超表面的高光谱成像装置，其特征在于：包括：衬底(3)和若干个以C4结构对称的方式设置于衬底(3)表面的光学天线(2)；所述衬底(3)和若干个以C4结构对称的方式设置于衬底(3)表面的光学天线(2)组合形成超表面超级单元(1)；所述若干个超表面超级单元(1)组合形成超表面超级单元阵列(5)。
2.根据权利要求1所述的一种基于角度弱敏感超表面的高光谱成像装置，其特征在于：所述超表面超级单元(1)整体呈正方形结构。
3.根据权利要求1所述的一种基于角度弱敏感超表面的高光谱成像装置，其特征在于：所述超表面超级单元(1)划分为2n×2n个子单元；不同所述光学天线(2)以预设规律排布在各个子单元中；n为正整数；每个所述子单元的大小相同；每个子单元中所设置的光学天线(2)的数量为0或1。
4.根据权利要求3所述的一种基于角度弱敏感超表面的高光谱成像装置，其特征在于：呈C4结构对称的子单元具有相同的编号，相同编号的子单元中的光学天线(2)的几何参数相同；所述几何参数包括高度和横截面尺寸；所述2n×2n的子单元阵列共具有n(n+1)/2种编
5.根据权利要求4所述的一种基于角度弱敏感超表面的高光谱成像装置，其特征在于：所述光学天线(2)整体为柱状结构；所有光学天线(2)的几何参数均在亚波长范围内；所有光学天线(2)的高度相同；所有光学天线(2)横截面的几何形状相同。
6.根据权利要求5所述的一种基于角度弱敏感超表面的高光谱成像装置，其特征在于：不同编号的子单元中的光学天线(2)的横截面尺寸均不同。
7.根据权利要求5所述的一种基于角度弱敏感超表面的高光谱成像装置，其特征在于：不同编号的子单元中的光学天线(2)的横截面尺寸均相同。
8.根据权利要求5所述的一种基于角度弱敏感超表面的高光谱成像装置，其特征在于：部分不同编号的子单元中的光学天线(2)的横截面尺寸相同，另一部分不同编号的子单元中的光学天线(2)的横截面尺寸不同。
9.根据权利要求4所述的一种基于角度弱敏感超表面的高光谱成像装置，其特征在于：光学天线(2)在超表面超级单元(1)中的排布位置及横截面尺寸通过如下方式确定：
10.根据权利要求9所述的一种基于角度弱敏感超表面的高光谱成像装置，其特征在于：所述目标函数，其计算公式表示如下：
...【技术特征摘要】
1.一种基于角度弱敏感超表面的高光谱成像装置，其特征在于：包括：衬底(3)和若干个以c4结构对称的方式设置于衬底(3)表面的光学天线(2)；所述衬底(3)和若干个以c4结构对称的方式设置于衬底(3)表面的光学天线(2)组合形成超表面超级单元(1)；所述若干个超表面超级单元(1)组合形成超表面超级单元阵列(5)。
2.根据权利要求1所述的一种基于角度弱敏感超表面的高光谱成像装置，其特征在于：所述超表面超级单元(1)整体呈正方形结构。
3.根据权利要求1所述的一种基于角度弱敏感超表面的高光谱成像装置，其特征在于：所述超表面超级单元(1)划分为2n×2n个子单元；不同所述光学天线(2)以预设规律排布在各个子单元中；n为正整数；每个所述子单元的大小相同；每个子单元中所设置的光学天线(2)的数量为0或1。
4.根据权利要求3所述的一种基于角度弱敏感超表面的高光谱成像装置，其特征在于：呈c4结构对称的子单元具有相同的编号，相同编号的子单元中的光学天线(2)的几何参数相同；所述几何参数包括高度和横截面尺寸；所述2n×2n的子单元阵列共具有n(n+1)/2种编号。
5.根据...
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。