[发明专利]一种基于光学超表面的可调滤光片及光谱成像系统

说明书

本发明公开了一种基于光学超表面的可调滤光片及光谱成像系统。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；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；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；微纳结构单元具有各向异性的形状或周期，对偏振敏感。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。可调滤光片具有调谐范围大、透过率高、成本低廉等特点。该系统具有高速凝视成像、波长检测范围大、高透过率、结构紧凑等优点。

技术领域

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

光谱成像技术作为一种 “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。

发明内容

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。