基于几何相位超表面结构的光谱传感器及光谱重建方法与流程

1.本发明涉及一种基于几何相位超表面结构的光谱传感器及光谱重建方法。


背景技术：

2.传统的光谱探测仪器大多基于棱镜、光栅等分离器件，依赖于光的传输过程进行分光，导致了相关仪器难以高度集成、成本高、体积较大等问题。随着微纳技术的发展，光谱探测仪器迎来了高度集成化的发展可能性。目前，研究人员提出了基于波导光栅、波导干涉仪、滤光片阵列、编码重建等方法的微型化光谱仪，但波导结构依然未摆脱对光传输的依赖性，难以和探测器进行像素级尺寸集成，而滤波片阵列需要很多滤波片阵列才能实现较高的光谱分辨率。如图7所示的基于微型光栅的传统微型光谱仪结构中，由于需要一定的光程(即光从光栅grating传播到探测器detector array的距离)，所以难以高度微型化，且难以高密度集成。而滤光片阵列式微型光谱仪只单纯地对强度进行编码，分辨率受限于阵列通道数，降低了空间分辨率，且编码设计复杂度高。


技术实现要素：

3.本发明的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。
4.为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种基于几何相位超表面结构的光谱传感器，包括：
5.对入射光进行起偏处理的起偏器；
6.对起偏器出来的光进行二次处理的消色差1/4波片；
7.用于光谱编码的几何相位超表面器件；
8.与几何相位超表面器件相配合的检偏器；
9.与检偏器相配合的面阵探测器；
10.其中，所述起偏器的起偏方向被配置为x轴方向或者y轴方向，所述色差1/4波片的长轴方向与x轴方向或者y轴方向成45度夹角，所述检偏器的检偏方向被配置为沿x轴方向或者y轴方向；
11.所述几何相位超表面器件包括多个阵列单元，且各阵列单元包括多个不同旋转角度放置的纳米结构。
12.优选的是，所述各阵列单元被配置为包括n个纳米结构，且每个纳米结构的旋转角度相位配置为360/n度。
13.优选的是，位于各阵列单元中心的纳米结构配置为呈水平状，其它纳米结构以位于中心的纳米结构为参照进行左旋或右旋角度调整。
14.一种应用光谱传感器进行光谱重建的方法，对于光谱传感器中组成几何相位超表面的纳米结构，不同波长的光束入射时透射光具有不同的相位值，再通过与参考光干涉，进而形成随空间明显变化的干涉信号，基于不同波长编码的强度随空间变化的干涉信号对入
射光谱信息进行重建。
15.优选的是，步骤一，将入射于光谱传感器的宽谱光信号经过起偏器起偏处理成为线偏振光，再经过消色差1/4波片后成为左旋或者右旋的圆偏振光；
16.步骤二，圆偏振光经过超表面后，部分光转换为右旋或者左旋的圆偏振光剩余部分光的偏振状态则保持原有的左旋或者右旋其中，σ＝
±
1对应右旋和左旋圆偏振态；
17.步骤三，通过检偏器后的圆偏振光到达探测器后获得对应的干涉条纹，所述干涉条纹是各个波长成分形成分支干涉条纹的累积；
18.步骤四，将单个波长的干涉条纹作为训练样本采用人工智能网络进行训练；
19.步骤五，以通过入射光信号形成的干涉条纹提取出入射光谱信息。
20.优选的是，在步骤二中，圆偏振光经过超表面处理后，在x轴或y轴的输出光场可通过公式一进行表示：
[0021][0022]
其中，tu和tv为沿着纳米结构长轴u和短轴v两个方向的光场透过率，基于纳米结构的色散效应，透过率和为波长λ的函数，θ为u轴和x轴夹角，和为色散效应导致的附加相位。
[0023]
优选的是，在步骤三中，通过x方向检偏器或y方向检偏器后的圆偏振光，达到探测器上的光场可通过公式二进行表示：
[0024][0025][0026]
因决定干涉条纹的相位差δφ是如公式三中波长λ的函数：
[0027]
δφ＝φ
u+v
(λ)-φ
u-v
(λ)-2σθ；
[0028]
超表面阵列单元中采用了n个不同旋转角度放置的纳米结构，则因为选择角度的不同，中2σθ项引入的相位差为0-2π，再叠加上色散导致的相位差，使得探测器上接收到的干涉条纹是各个波长成分形成分支干涉条纹的累积。
[0029]
本发明至少包括以下有益效果：其一，本发明提出了新的基于几何相位超表面的光谱传感器，可以将光谱编码结构压缩为数个平面光学元件的组合，极大简化了光学系统的结构。
[0030]
其二，本发明提供一种基于几何相位超表面光谱传感器进行光谱重建的方法，其在重建过程中，相较于现有技术单纯地对强度进行编码的方式，本发明基于几何相位超表面光谱传感器的相位编码，能使得各波长的响应信号间具备更好的正交性，简化了编码设计过程，便于对信号进行解调。
[0031]
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本
发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
[0032]
图1为本发明光谱传感器结构示意图；
[0033]
图2为本发明组成几何相位超表面的纳米结构示意图；
[0034]
图3为本发明超表面阵列单元中纳米结构排布示意图；
[0035]
图4为透过图3中纳米结构阵列及检偏器后面阵探测器上的干涉条纹示意图；
[0036]
图5为在光谱信号重建过程中宽谱光信号形成的干涉条纹示意图；
[0037]
图6为在光谱信号重建过程后重建光谱与输入光谱的对比图；
[0038]
图7为现有技术中基于微型光栅的微型光谱仪传统设计示意图；
[0039]
图8为现有技术中采用微纳滤光片阵列技术的微型光谱仪设计示意图。
具体实施方式
[0040]
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
[0041]
应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不排除一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
[0042]
需要说明的是，在本发明的描述中，术语指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0043]
图1-3示出了根据本发明的一种基于几何相位超表面结构的光谱传感器的实现形式，其中包括：
[0044]
对入射光进行起偏处理的起偏器1；
[0045]
对起偏器出来的光进行二次处理的消色差1/4波片2；
[0046]
用于光谱编码的几何相位超表面器件3；
[0047]
和几何相位的超表面器件3相配合的检偏器4；
[0048]
与检偏器相配合的面阵探测器5；
[0049]
其中，所述起偏器的起偏方向被配置为x轴方向或者y轴方向，所述色差1/4波片的长轴方向与x轴方向或者y轴方向成45度夹角，所述检偏器的检偏方向被配置为沿x轴方向或者y轴方向；
[0050]
所述几何相位超表面器件包括多个阵列单元6，且各阵列单元包括n个不同旋转角度放置的纳米结构7，本发明所涉及的光谱传感器如图1所示，由起偏器、消色差1/4波片、超表面、检偏器及面阵探测器组成。起偏器起偏方向为x轴方向(或者y轴方向)，消色差1/4波片长轴方向与x轴方向(或者y轴方向)成45度夹角，检偏器检偏方向沿x轴或者y轴方向。超表面由几何相位理论进行设计，即组成超表面的纳米结构具备各向异性特征(组成超表面阵列单元中采用了n个不同旋转角度放置的纳米结构)，如图2-3所示。沿着纳米结构长轴u和短轴v两个方向的光场透过率分别为tu和tv，且因为纳米结构的色散效应，透过率和为波长λ的函数,本发明提出了新的基于几何相位超表面的光谱传感器，可以将光谱编码结构压缩为数
个平面光学元件的组合，极大简化了光学系统的结构。
[0051]
所述各阵列单元被配置为包括12个纳米结构，且每个纳米结构的旋转角度相位配置为30度，位于各阵列单元中心的纳米结构配置为呈水平状，其它纳米结构以位于中心的纳米结构为参照进行左旋或右旋角度调整。
[0052]
一种应用光谱传感器进行光谱重建的方法，包括：
[0053]
对于组成几何相位超表面的纳米结构，不同波长的光束入射时透射光具有不同的相位值，再通过与参考光干涉，可以形成随空间明显变化的干涉信号。根据不同波长编码的强度随空间变化的干涉信号，即可重建入射光谱信息。
[0054]
具体来说包括以下步骤：
[0055]
步骤1：光束传递过程：当一个宽谱光信号入射时，经过起偏器成为线偏振光，在经过消色差1/4波片后成为左旋(或者右旋)圆偏振光经过超表面后，部分光转换对右旋(或者左旋)圆偏振光剩余部分光则保持原有偏振状态即左旋(或者右旋)圆偏振光，如公式1所示:
[0056][0057]
其中，等号右边第一项为圆偏振态未改变部分第二项为圆偏振态改变部分σ＝
±
1对应右旋和左旋圆偏振态,θ为u轴和x轴夹角。
[0058]
通过检偏器后(以检偏方向为x轴为例)，则达到探测上的光场如公式2所示：
[0059][0060]
公式2中第一项和第二项的相位差由结构色散及纳米结构的旋转角度决定。
[0061]
步骤2：干涉过程：公式2可以化简为：
[0062][0063][0064]
决定干涉条纹的相位差为δφ＝φ
u+v
(λ)-φ
u-v
(λ)-2σθ；
[0065]
由于决定干涉条纹的相位差是波长λ的函数，所以入射光信号的光谱信息会编码到干涉条纹的强度变化中。为了让色散效应导致到干涉条纹变化更为明显，在组成超表面阵列单元中采用了多个不同旋转角度放置的纳米结构，例如图3所示，由12个纳米结构组成，每个纳米结构的旋转角度相位30度。则因为选择角度的不同，中2σθ项引入的相位差为0-2π，再叠加上色散导致的相位差，面阵探测器上接收到的干涉条纹如图4所示。可见不同波长形成的干涉条纹各不相同，宽谱光信号入射时探测器上获得的干涉条纹将是其各个波长成分形成干涉条纹的累积。
[0066]
步骤三：光谱重建：将图4中各个波长的光信号形成的干涉条纹作为训练样本对人
工智能网络进行训练，训练后网络将通过入射光信号形成的干涉条纹提取出入射光谱信息。例如图5-6所示，一个入射光信号经过图1中系统后形成一个由各个波长干涉条纹组合而成的干涉信号(图5)，通过训练后的人工智能网络，可根据该干涉信号提取出入射光信息(图6)。由于图3所示超表面含有多个阵列单元，每个阵列单元均可提取出该位置的光谱信息，所以本发明所涉及的传感器可以完成光谱成像功能。注意，除了利用人工智能的方法去解调宽谱光信号形成的干涉条纹信号，还可以通过最小二乘法等解析的方法提取光谱信号，本发明利用光谱传感器在光学系统中进行光束传递，并在传递过程中产生正交性更好的干涉条纹，以简化编码设计过程，便于对信号进行解调，而步骤三中的光谱重建方法属于现有技术，在此不再叙述。
[0067]
本发明的方法接近于计算光谱技术。相比于光栅等色散分光和傅立叶变换光谱仪这两种依赖于光束传播长度的技术路线，本发明明显地“简化了系统结构，减小了硬件体检，可以大规模集成”。相比于现有的计算光谱技术，本发明不依于微纳滤光片阵列的强度调制作用，而利用纳米结构的色散效应，扩充了计算光谱技术的设计理论和设计方法。即传统光谱编码技术通过不同通道的滤波编码器件识别不同的波长，对于高精度光谱编码需要增加编码通道数，从而导致系统复杂度上升。具体来说，如图8所示的微纳滤光片阵列技术，对于入射光信号来说，在通过滤光片阵列8时，因具有多个通道不同波长的光信号，故在进入到面阵探测器9时，也同时需要与各通道相配合的多个编码通道与其相配合，使得系统复杂度较高，集成度较差。
[0068]
而本发明通过几何相位超表面器件时，基于组成几何相位超表面的纳米结构，利用不同波长的光束入射时透射光具有不同的相位值，再通过与参考光干涉，可以形成随空间明显变化的干涉信号，使得光信号入射时探测器上获得的干涉条纹将是其各个波长成分形成干涉条纹的累积，即通过几何相位超表面器件将各个波长的干涉信号叠在在一起，有效减少编码通道，在通过算法进行高精度重建时，能具备更为紧凑的系统结构。
[0069]
故可知，本发明提出了一种新的基于几何相位超表面的光谱传感器以及应用该传感器进行光谱重建的方法。相较于单纯地对强度进行编码的方法，基于相位编码能使得各波长的响应信号间具备更好的正交性，简化了编码设计过程，便于对信号进行解调。该方法可以将光谱编码结构压缩为数个平面光学元件的组合，极大简化了光学系统的结构。
[0070]
以上方案只是一种较佳实例的说明，但并不局限于此。在实施本发明时，可以根据使用者需求进行适当的替换和/或修改。
[0071]
这里说明的设备数量和处理规模是用来简化本发明的说明的。对本发明的应用、修改和变化对本领域的技术人员来说是显而易见的。
[0072]
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用。它完全可以被适用于各种适合本发明的领域。对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改。因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

技术特征：
1.一种基于几何相位超表面结构的光谱传感器，其特征在于，包括：对入射光进行起偏处理的起偏器；对起偏器出来的光进行二次处理的消色差1/4波片；用于光谱编码的几何相位超表面器件；与几何相位超表面器件相配合的检偏器；与检偏器相配合的面阵探测器；其中，所述起偏器的起偏方向被配置为x轴方向或者y轴方向，所述色差1/4波片的长轴方向与x轴方向或者y轴方向成45度夹角，所述检偏器的检偏方向被配置为沿x轴方向或者y轴方向；所述几何相位超表面器件包括多个阵列单元，且各阵列单元包括多个不同旋转角度放置的纳米结构。2.如权利要求1所述的基于几何相位超表面结构的光谱传感器，其特征在于，所述各阵列单元被配置为包括n个纳米结构，且每个纳米结构的旋转角度相位配置为360/n度。3.如权利要求2所述的基于几何相位超表面结构的光谱传感器，其特征在于，位于各阵列单元中心的纳米结构配置为呈水平状，其它纳米结构以位于中心的纳米结构为参照进行左旋或右旋角度调整。4.一种应用如权利要求1-3任一项所述光谱传感器的光谱重建方法，其特征在于，对于光谱传感器中组成几何相位超表面的纳米结构，不同波长的光束入射时透射光具有不同的相位值，再通过与参考光干涉，进而形成随空间明显变化的干涉信号，基于不同波长编码的强度随空间变化的干涉信号对入射光谱信息进行重建。5.如权利要求4所述的光谱重建方法，其特征在于，包括：步骤一，将入射于光谱传感器的宽谱光信号经过起偏器起偏处理成为线偏振光，再经过消色差1/4波片后成为左旋或者右旋的圆偏振光；步骤二，圆偏振光经过超表面后，部分光转换为右旋或者左旋的圆偏振光剩余部分光的偏振状态则保持原有的左旋或者右旋其中，σ＝
±
1对应右旋和左旋圆偏振态；步骤三，通过检偏器后的圆偏振光到达探测器后获得对应的干涉条纹，所述干涉条纹是各个波长成分形成分支干涉条纹的累积；步骤四，将单个波长的干涉条纹作为训练样本采用人工智能网络进行训练；步骤五，通过入射光信号形成的干涉条纹提取出入射光谱信息。6.如权利要求5所述的光谱重建方法，其特征在于，在步骤二中，圆偏振光经过超表面处理后，在x轴或y轴的输出光场可通过公式一进行表示：其中，t
u
和t
v
为沿着纳米结构长轴u和短轴v两个方向的光场透过率，基于纳米结构的色散效应，透过率和
为波长λ的函数，θ为u轴和x轴夹角，和为色散效应导致的附加相位。7.如权利要求5所述的光谱重建方法，其特征在于，在步骤三中，通过x方向检偏器或y方向检偏器后的圆偏振光，达到探测器上的光场可通过公式二进行表示：到探测器上的光场可通过公式二进行表示：因决定干涉条纹的相位差δφ是如公式三中波长λ的函数：δφ＝φ
u+v
(λ)-φ
u-v
(λ)-2σθ；超表面阵列单元中采用了n个不同旋转角度放置的纳米结构，则因为选择角度的不同，中2σθ项引入的相位差为0-2π，再叠加上色散导致的相位差，使得探测器上接收到的干涉条纹是各个波长成分形成分支干涉条纹的累积。

技术总结
本发明公开了一种基于几何相位超表面结构的光谱传感器及光谱重建方法，包括：对入射光进行起偏处理的起偏器；对起偏器出来的光进行二次处理的消色差1/4波片；用于光谱编码的几何相位超表面器件；与几何相位超表面器件相配合的检偏器；与检偏器相配合的面阵探测器。本发明提出了一种基于几何相位超表面结构的光谱传感器及光谱重建方法，可以将光谱编码结构压缩为数个平面光学元件的组合，极大简化了光学系统的结构。光学系统的结构。光学系统的结构。


技术研发人员：唐烽 叶鑫 李波 李青芝 邵婷 孙来喜 周晓燕 石兆华
受保护的技术使用者：中国工程物理研究院激光聚变研究中心
技术研发日：2021.11.23
技术公布日：2022/3/7