(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202211014306.3 (22)申请日 2022.08.23 (71)申请人 中国科学院空天信息创新研究院 地址 100080 北京市海淀区北四环西路19 号 (72)发明人 冯蕾　周锦松　黄旻　何晓英　 魏立冬　李雅灿　景娟娟　 (74)专利代理 机构 北京凯特来知识产权代理有 限公司 1 1260 专利代理师 郑立明　赵镇勇 (51)Int.Cl. G01J 3/28(2006.01) G01J 3/02(2006.01) G06F 30/20(2020.01) (54)发明名称 一种微型光谱成像 仪的设计方法 (57)摘要 本发明公开了一种微型光谱成像仪的设计 方法， 确定光谱通道数及单个通道的光谱范围， 由谱段范围， 系统焦距等参数确定校像差透镜的 聚焦位相函数， 结合粒子群优化算法， 优化不同 结构下的位相、 透过率与结构参数之间的映射关 系， 确定校像差透镜的全模结构及周 期参数； 建 立基于分布式布拉格反射器的滤波阵列， 根据需 求确定单个通道的中心频率， 光谱带宽， 长波及 短波频率， 由此确定两种不同高低折射率的介 质， 由单个通道的带宽参数决定滤波腔体的膜层 参数， 通过优化膜层的数目及不同介质的厚度， 获得满足一定要求的单峰透过率最高的滤波结 构参数， 实现窄带滤波的设计。 无需任何运动组 件， 一次拍照可同时获取空间维和光谱维的成 像， 有效提高时间分辨率， 实现系统的集成化、 小 型化设计 。 权利要求书2页 说明书7页 附图3页 CN 115290188 A 2022.11.04 CN 115290188 A 1.一种微型光谱成像仪的设计方法， 其特 征在于， 包括 步骤： A、 根据需求， 确定光谱通道数及单个通道的光谱范围， 由谱段范围， 系统焦距等参数确 定校像差透镜的聚焦位相函数， 结合粒子群优化算法， 优化不同结构下的位相、 透过率与结 构参数之间的映射关系， 建立单元结构的参数与位相函数关系， 进而确定校像差透镜的全 模结构及周期参数； B、 建立基于分布式布拉格反射器的滤波阵列， 首先根据需求确定单个通道的中心频 率， 光谱带宽， 长波及短波频率， 由此确定两种不同高低折射率的介质， 由单个通道的带宽 参数决定滤波腔体的膜层参数， 通过优化膜层的数目及不同介质的厚度， 获得满足一定要 求的单峰透过率 最高的滤波结构参数， 实现窄带 滤波的设计。 2.根据权利要求1所述的微型光谱成像仪的设计方法， 其特 征在于： 所述步聚A包括： 综合使用需求， 选 定光谱范围： 3～5um， 光谱波段 数： 6个， 焦距： 2m m； 由目标、 校像差成像透 镜阵列， 空间分割滤波器以及面阵探测器三部分组成； 每个透镜都在特定波长处进行像差校正， 滤波器通过抑制远离设计波长的传输， 有效 提高图像分辨 率和对比度； 目标位于有限远时， 光源照亮目标， 同一物点发出球面波， 经校像差成像透镜后， 实现 对目标空间维成像； 每个校像差透镜均可形成多色图像， 经由滤波器后， 通过抑制远离设计波长的传输， 提 高了图像分辨 率和对比度， 实现对目标的光谱维成像； 只有经过相关滤波器通带中的目标像才能到达像平面， 像平面由多个具有窄光谱范围 构成的图像通道， 光谱数据立方体是通过堆叠这些通道来构成的； 通过连续采集， 实现动态图像和光谱视频 数据的采集； 所述步骤B包括： 全系统中校像差成像镜采用超透镜 阵列,滤波器由超表面滤光阵列构成， 透镜的相位 分布写成： 其中， φ是透镜所需相位， r是径向坐标， f为焦距， λ是设计工作波长， 相位公式是基于 目标波长下的相位分布； 由相位分布公式得， 在透 镜中心处， 相位 值最小， 在透 镜边缘处， 相位调控量增大； 采用传输相位调制， 首先设定目标基本指标参数， 如焦距、 器件尺寸等； 然后建立单元 结构模型， 并扫描不同波长下 的相位与结构参数 的关系， 进而构建不同波长下 的全系统结 构； 单元结构为设于基底上的圆柱结构， 材料均为硅， 通过公式(1)计算透镜不同位置处 的 圆柱半径， 设定目标性能及分析参数， 利用优化 算法， 最终确定波长为3微米的全系统结构； 空间分割滤波器由阵列结构组成， 每个滤波器由布拉格反射器DBR和中间微结构阵列 构成， 每对DBR及中间微结构阵列构成谐振腔； 设计过程首先确定DBR的中心频率， 根据中心波长， 确定所用的两种高低折射率介质材权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115290188 A 2料， DBR由非晶硅a ‑Si和二氧化硅SiO2层交替组成， 微结构由纳米孔阵列构成， 纳米孔排列 在六角形晶格上， 每个滤波器中的DBR结构相同， 整个滤波器结构是周期性， 通过调整单元 结构尺寸， 改变谐振波长， 实现不同设计波长的峰值输出。 3.根据权利要求2所述的微型光谱成像仪的设计方法， 其特征在于， 通过电磁仿真软件 及编程软件， 建立全系统模型并编制脚本， 分别对全系统结构在不同波长下进 行扫描， 获得 不同通道的能量聚焦图， 并将图像中不同通道的亮度进行归一化， 获得六个通道的聚焦光 斑图， 横轴代表波长， 纵轴为聚焦光斑的亮度归一化信息， 单个通道有效聚焦在不同位置 处， 即有效实现了在同一焦面处的聚焦 及色散。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115290188 A 3