时空共调制可调滤波器芯片及其光谱成像复原方法和系统

1.本发明涉及时空共调制可调滤波器芯片及其光谱成像复原方法和系统，适用于气体传感、显微成像、资源监测、缺陷检测、食品安全等领域。


背景技术：

2.光谱成像近年来得到了蓬勃发展，它丰富了传统的成像方式，并可以为物体提供前所未有的细节特征，其作为一种高维感知方式，在精准农业、食品安全检验、环境监测、医学成像等领域发挥着日益重要的作用。传统技术（例如，推扫或点扫方法）主要利用光栅或棱镜，用于光谱捕获；利用机械推扫部件，实现图像获取，其特点是稳定性差，体积大，广泛部署的成本高。 目前，这种传统方式的光谱成像仪主要应用在少数特定场合（如侦测、国防、卫星监测）。在这种传统方式的配置中，光栅的质量决定了光谱成像仪的性能，为了获得高分辨率光谱数据，往往需要大尺寸、高精密的光栅器件，这一方面提高了器件造价成本，另一方面由于分到每个探测器上的光强变弱，降低了设备信噪比。
3.计算光谱成像技术最近得到广泛关注，它既可以缓解对光学系统的严苛要求，又可以充分挖掘计算系统的潜力，因此在提高成像分辨率，提高系统检测极限，减小系统体积和功耗等方面具有显著优势。目前，基于计算光谱技术，发展出来了两大类新型光谱成像技术。其一是通过定制的阵列滤光片/探测器，采用空分复用的方式实现光谱解调；其二是通过使用可调滤波器/可调探测器，采用时分复用的方式实现光谱分光及采集。
4.采用阵列滤波片，可以实现快照式光谱成像，但牺牲了一定空间分辨率，且光谱分辨率越高，空间分辨率越低，也即存在空间-光谱分辨率限制，并不适用于显微等高分辨率场合。采用可调滤波器，可以保持空间分辨率不变，但为了获得高的光谱分辨率会使得其成像速度变慢，也即存在时间-光谱分辨率限制，制约了其在高速场景下的使用。目前，尚无合适方案可以同时满足突破传统的空间-光谱-时间分辨率限制。


技术实现要素：

5.为了克服现有光谱成像技术的不足，本发明旨在提供时空共调制可调滤波器芯片及其光谱成像复原方法和系统，通过合理设计，突破传统基于滤光片阵列或者可调滤波器的光谱成像系统存在的空间-光谱-时间分辨率限制，实现视频量级、高光谱分辨率、高空间分辨率的光谱成像，满足显微成像、高速运动等场景下的光谱成像应用。
6.一种应用于光谱成像的时空共调制可调滤波器芯片，包括元胞单元、电极、基底；其中电极及元胞单元位于基底上；元胞单元包括若干微纳结构构成的子像素滤波器，用来实现对入射光谱的调制；电极用来施加电信号，进而改变元胞单元的调制效果。
7.所述的一种应用于光谱成像的时空共调制可调滤波器芯片，不同元胞单元中，具有相同数量的子像素滤波器；同一个元胞单元中，构成子像素滤波器的微纳结构各不相同，同时光谱响应也各不相同。
8.所述的子像素滤波器，由不同形状，和/或不同尺寸，和/或不同材料的微纳结构构
成。
9.所述的一种应用于光谱成像的时空共调制可调滤波器芯片，包括若干个元胞单元构成的阵列，每个元胞单元又由n个互不相同的子像素滤波器构成；通过加热、加电，或电化学反应外界刺激，改变每个子像素滤波器的透射或者反射谱，进而，在t时间内，每个子像素滤波器又产生k个滤波中间态，从而在t时间内，该可调滤波器芯片总共具有n
×
k个等效滤波状态，极限光谱分辨率与n
×
k正相关。
10.所述的一种应用于光谱成像的时空共调制可调滤波器芯片，为反射式，所述的电极层包括微加热器、金属电极；子像素滤波器依次包括下层绝缘层、金属反射层、上层绝缘层、相变材料层。
11.所述的一种应用于光谱成像的时空共调制可调滤波器芯片，为透射式，所述的子像素滤波器包括起偏器、定向层、液晶层、谐振层；入射光通过起偏器，在液晶层的作用下，偏振方向发生变化；谐振层是由具有周期性的、各向异性的结构单元构成。
12.一种基于所述的一种应用于光谱成像的时空共调制可调滤波器芯片的光谱成像复原方法，每个子像素滤波器及其在不同电信号下所产生的中间态光谱响应，构成测量矩阵，该测量矩阵的行数为元胞单元中不同子像素滤波器的数量及每个子像素滤波器的中间态数量之积；测量时，在该滤波器芯片上加载不同电信号，得到成像器件在不同电信号下的响应，成像器件在不同信号下的响应构成响应矩阵，该响应矩阵与测量矩阵一起共同组成若干线性方程，解出该线性方程组的未知数，此即为入射光谱数据。
13.所述的光谱成像复原方法，测量时采集所有不同电信号下成像器件的响应矩阵，依据不同场景、指标要求，调整参与复原算法的子像素滤波器数量及子像素滤波器的中间态数量，实现不同光谱分辨率、空间分辨率、时间分辨率的自由切换；其中，子像素滤波器数量及子像素中间态数量共同决定光谱分辨率，子像素滤波器数量决定成像空间分辨率，子像素滤波器中间态数量决定系统成像速度也即时间分辨率；采用较少子像素滤波器数量、较多子像素滤波器的中间态数量，实现高光谱分辨率、高空间分辨率的光谱成像；采用较多子像素滤波器数量、较少子像素滤波器的中间态数量，实现高光谱分辨率、高时间分辨率的光谱成像。
14.一种基于述的时空共调制可调滤波器芯片的反射式的光谱成像系统，包括第一透镜、分束器、第二透镜、该可调滤波器芯片、第三透镜及控制系统，控制系统连接可调滤波器芯片和成像器件，用来控制输入信号及图像采集，并对获得数据进行处理；第一透镜、分束器、第二透镜组成一成像系统，将物体成像至可调滤波器芯片，进行反射；第二透镜、分束器、第三透镜组成另一成像系统，将物体的像及可调滤波器芯片反射的光一起成像到成像器件；控制系统通过外部触发，将信号加载到该可调滤波器芯片上，同步采集不同滤波状态下的图像数据。
15.一种基于所述的时空共调制可调滤波器芯片的透射式的光谱成像系统，包括透镜、该可调滤波器芯片、成像器件及控制系统，控制系统连接可调滤波器及成像器件，用来控制输入信号及图像采集，并对获取的数据进行处理；该可调滤波器芯片直接绑定在成像器件上；通过透镜，外界物体透过该滤波器芯片，被成像在成像器件上；控制系统通过外部触发，将不同信号加载在该可调滤波器芯片上，同步采集不同滤波状态下的图像数据。
16.本发明的有益效果在于：
1. 本发明提出的时空共调制可调滤波器芯片，可以突破目前光谱成像芯片中存在的时间-光谱-空间分辨率限制，不仅有效克服了单纯可调滤波器光谱成像设备速度慢的问题，而且弥补了传统阵列式滤光片光谱成像系统空间分辨率不足的问题。
17.2. 本发明提出的时空共调制可调滤波器芯片，可以根据不同场景，进行自适应调节空间分辨率、时间分辨率等，极大扩展光谱成像芯片的适用范围，可以有效满足高分辨率显微光谱成像、视频级高速光谱成像等不同场景下的光谱成像应用需求。
附图说明
18.图1为本发明一种应用于光谱成像的时空共调制可调滤波器芯片的原理示意图。
19.图2为本发明一种应用于光谱成像的时空共调制可调滤波器芯片应用于高空间分辨率光谱成像场合时的原理示意图。
20.图3为本发明一种应用于光谱成像的时空共调制可调滤波器芯片应用于高时间分辨率光谱成像场合时的原理示意图。
21.图4a为本发明一种应用于光谱成像的时空共调制可调滤波器芯片在实施例1中的一种结构示意图。
22.图4b为图4a的仿真模拟结果。
23.图5为本发明一种应用于光谱成像的时空共调制可调滤波器芯片在实施例1中的一种光路模块示意图。
24.图6a为本发明一种应用于光谱成像的时空共调制可调滤波器芯片在实施例2中的一种结构示意图。
25.图6b为图6a的仿真模拟结果。
26.图7为本发明一种应用于光谱成像的时空共调制可调滤波器芯片在实施例2中的一种光路模块示意图。
27.图标说明：可调滤波器芯片1、元胞单元11、电极层12、基底13、成像器件2；子像素滤波器111、微加热器121、金属电极122、下层绝缘层1111、金属反射层1112、上层绝缘层1113、相变材料层1114、起偏器14、定向层15、液晶层16。
具体实施方式
28.下面结合附图和实施例对本发明做进一步阐述。
29.在下文中，仅简单地描述了某些示例性实施例。正如本领域技术人员可认识到的那样，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可通过各种不同方式修改所描述的实施例。因此，附图和描述被认为本质上是示例性的而非限制性的。
30.在本发明的描述中，需要理解的是，术语"中心"、"纵向"、"横向"、"长度"、"宽度"、"厚度"、"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"、"坚直"、"水平"、"顶"、"底"、"内"、"外"、"顺时针"、"逆时针"等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，而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。在本发明中，“滤波器”、“滤光片”均表示一种滤波器件，具有相同含义。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
31.下文提供了几种不同的实施方式或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。
32.本发明涉及一种基于时空共调制的光谱可调滤波器芯片，可调滤波器芯片1包括元胞单元11、电极12、基底13；其中电极12及元胞单元11位于基底13上；元胞单元11由若干子像素滤波器111构成，用来实现对入射光谱的调制；电极12用来施加电信号，进而改变元胞单元11的调制效果。可调滤波器芯片1其原理如下：由若干个元胞单元11构成的阵列组成，每个滤波器的元胞单元11又由n个互不相同的子像素滤波器111构成，也即，在空间维度，总的滤波器状态为n个。通过加热、加电、电化学反应等外界刺激，可以改变每个子像素滤波器111的透射或者反射谱，进而，在t时间内，每个子像素滤波器111又可以产生k个滤波中间态，也即，在时间维度，该可调滤波器芯片1存在k个滤波状态。综上，t时间内，该可调滤波器芯片1总共具有n
×
k个等效滤波状态。该器件的极限光谱分辨率与n
×
k成正比，n
×
k的个数越大，则理论光谱分辨率越高。
33.工作时，物体可通过透镜、所述的滤波器芯片等成像在ccd/cmos等成像器件上。光线通过每个子像素滤波器111，可以被成像器件2上的像素所采集。通过施加不同外部信号，ccd/cmos等成像器件可以在t时间内采集k张强度图像。利用这些强度图像，可以通过最小二乘、神经网络等算法进行光谱及图像复原。不失一般性，假设该滤波器的子像素滤波器111大小与成像器件2的像素数大小相同，且一一对应。考虑成像器件2的单个像素，光谱成像复原原理如下公式（1）所述：
34.其中，p
nk
为第n个子像素滤波器在k状态时成像器件单个像素的响应，h
nk
为第n个子像素滤波器在k状态下的响应谱，i为入射光谱，q为光谱通道数，qm为波长通道总数，λq为第q波长通道下的光谱强度。
35.nm、km为参与复原计算的子像素滤波器111总个数及中间态总个数，实际测量时，nm小于等于n，km小于等于k。针对不同应用场合，复原计算时可以选取不同的子像素滤波器111的个数（nm）、不同子像素滤波器111的中间态数量（km），从而实现不同的光谱成像效果。
36.图2中，我们详细描述了该时空共调制滤波器工作在高空间分辨率场景下的工作原理。其中，元胞单元11中包括若干子像素滤波器111，子像素滤波器111与成像器件2中像素一一对应，时间1、时间2等表示不同时刻，不同时刻子像素滤波器111阵列具有不同的光谱滤波状态，也即中间态。对于显微成像等应用，实际光谱复原时，选取较少的滤波器子像素111数量n来参与复原计算（图2为4个），则相较于普通成像器件，使用本发明时空共调制可调滤波器芯片后，成像器件空间分辨率只会牺牲4倍，与基于滤波片阵列的光谱成像系统相比，保持了较高的图像空间分辨率；此外，为了满足光谱分辨率的需要，可以选取较大的子像素中间态数量k，也即在时间域上进行十次采样（图2为10个），则总的滤波状态为n
×
k=
40个，也即，通过时空调制，公式（1）由40个不同线性方程组构成，可以解出40个未知数（波长通道），通过利用压缩感知等，可以进一步提高波长通道数量。此时，通过牺牲成像速度，可以获得较高的图像空间分辨率。
37.如图3所示，我们详细描述了该时空共调制滤波器工作在高时间分辨场景时的工作流程。该滤波器的元胞单元11中包括子像素滤波器111，子像素滤波器111与成像器件2中像素一一对应。对于高速运动物体，光谱复原时，可以选取较少的子像素滤波器中间态数量（图5为1个，也即不进行电信号调控，不在时间域进行采样），以提高器件的响应；同时，为了保持光谱分辨率，可以选取较多个子像素滤波器（图3中为25个）来参与光谱复原计算，则总的滤波状态为25个，也即公式（1）具有25个不同方程，可以解出25个未知数（波长通道），通过利用压缩感知等，还可以进一步提高波长通道数量。此时，由于选取了25个滤波器子像素（也即25个成像器件像素数）实现光谱复原，成像器件的空间分辨率及图像变为原来1/25，通过牺牲空间分辨率，获得了较高的响应速度。
38.更进一步的具体实施中，本发明的一种应用于光谱成像的时空共调制可调滤波器芯片可以为反射式滤波器，也可以为透射式滤波器。
39.更进一步的具体实施中，本发明的一种应用于光谱成像的时空共调制可调滤波器芯片可以通过绑定等方式直接置于成像单元上，也可以通过中继光路，置于光路中间位置。
40.更进一步的具体实施中，本发明的一种应用于光谱成像的时空共调制可调滤波器芯片可以通过若干个级联等方式，进一步提高滤波特性。
41.为叙述方便，上述元胞单元及子像素滤波器均为矩形排列，更进一步的具体实施中，实际上不同元胞单元在该滤波器中的排列方式可以不同，且元胞单元中的子像素滤波器也可以任意排列。
42.更进一步的具体实施中，为了实现滤波效果，也即光谱调控，子像素滤波器可以采用常见光学谐振结构如光栅、法布里珀罗腔、米散射体等构成。
43.更进一步的具体实施中，光谱及图像复原时，可以采用非规则（任意图案）的方式选取若干个子像素滤波器个数，且图像不同位置可以选取不同的子像素滤波器个数；同样的，可以采用非规则的方式选取若干个子像素滤波器中间态，且图像不同位置可以具有不同子像素滤波器中间态数。
44.更进一步的具体实施时，参与光谱复原的子像素滤波器数量、中间态数即可以作为参数输入进复原程序，也可以通过对比相邻子像素滤波器的响应或不同时刻同一个子像素滤波器的响应，设计合适的算法，让算法自主选择所需的数量，提高系统的自适应性。
45.实施例1如图4a所示，展示了一种反射式的时空共调制可调滤波器芯片结构原理图，包括元胞单元（子像素滤波器111）、基底13、电极层12。与图1相比，图4a为剖面图，元胞单元以子像素滤波器111示出。
46.其中，电极层12包括微加热器121、金属电极122。子像素滤波器111从下到上依次包括下层绝缘层1111、金属反射层1112、上层绝缘层1113、相变材料层1114。
47.基底13由硅、二氧化硅等常用材料构成，下层绝缘层1111可以为常用介质材料（二氧化硅、氮化硅、氟化铪、氟化镁等）、微加热器121可以由金属材料构成（如铂、钨、氮化钛、钛等），设计成螺旋、盘状、环状等结构，以使得加热更均匀，也可以由透明导电材料如金属
铟锡氧化物（ito）等构成；在加热材料两端各引出一个金属电极122，通过在金属电极122上施加电信号，便可以通过金属发热将电流转化成热能。下层绝缘层1111用来防止短路。
48.子像素滤波器111中的金属反射层1112由金银铝等常见金属材料构成，通过与上层绝缘层1113、相变材料层1114等，构成一种波长选择法布里珀罗谐振腔，实现对入射光谱的调控。另外，上层相变材料层1114也可以加工成微纳结构（圆柱、矩形等形状），这些结构与下层金属一起，或者本身可以进一步对入射光谱进行调控。通过在金属电极122两端施加电信号，微加热器121会因焦耳效应产热，通过热传导，驱动相变材料层1114相变。相变材料相变前后，其折射率等会发生显著变化，且这一过程中存在诸多稳定的相变中间态。通过控制输入信号大小，便可以控制该中间态，也即控制滤波状态。最终，通过施加k个电信号，可以在单个子像素滤波器上获得k个中间态。
49.实际工作时，可以通过控制上层绝缘层1113厚度、相变材料层1114的厚度及尺寸等，改变该谐振腔的反射谱，通过这一方法，可以获得所需要的n个不同的子像素滤波器。图4b是单个子像素滤波器的仿真反射谱，可以看到，通过改变相变材料层1114厚度，该子像素滤波器反射谱可以发生明显变化。相变前后，光谱也会发生明显。
50.图5展示了一种反射式时空共调制可调滤波器芯片构成的光谱成像系统，包括第一透镜、分束器、第二透镜、可调滤波器芯片、第三透镜及控制系统，控制系统连接可调滤波器芯片和成像器件，用来控制输入信号及图像采集，并对获得数据进行处理。第一透镜、分束器、第二透镜组成一成像系统，将物体成像至像可调滤波器，该像在可调滤波器表面进行反射；第二透镜、分束器、第三透镜组成另一成像系统，将物体的像及可调滤波器芯片反射像一起成像到成像器件。控制系统通过外部触发，将信号加载到该可调滤波器芯片上，图像传感器同步采集不同滤波状态下的图像数据。最终，在t时间的信号周期内，采集完全部数据。
51.除此之外，针对高时间分辨率的场景，光谱复原时，算法中可以采用25个不同子像素滤波器组合，中间态数量可以设为1，这样便可以构成一快照式光谱成像系统，可以实现高速甚至视频量级的光谱成像效果。总之，时间、空间分辨率可以通过设置合理中间态数量级子像素滤波器数量进行调整。
52.实施例2如图6a所示，是一种透射式的应用于光谱成像的时空共调制可调滤波器芯片结构示意图，包括基底13、元胞单元（子像素滤波器111）、电极层12、起偏器14，定向层15、液晶层16。与图1相比，图6a为剖面图，元胞单元以子像素滤波器111示出。
53.入射光通过起偏器14，在液晶层16的作用下，其偏振方向可以发生变化；子像素滤波器111由具有周期性的、各向异性的结构单元构成。由于该结构单元具有各向异性的形状或周期，因而具有偏振敏感特性，对不同的入射光会产生不同的吸收、反射、散射等，因而其透射响应对入射光偏振敏感。用来实现调制的原理包括但不限于米氏散射谐振器、表面等离子体谐振器、导模共振谐振器、间隙等离子体谐振器等。另外，改变微纳结构单元的周期、尺寸、占空比、厚度等，均可以调节器件的透射谱。
54.通过电极层12在液晶层16两端施加电信号，液晶器件中的液晶材料折射率、双折射响应等会发生变化，导致出射光的偏振状态发生变化。不同电信号，会产生诸多不同且稳定的中间态。因而，通过控制输入信号大小，便可以控制该中间态，也即控制子像素滤波器
的滤波状态。最终，通过施加k个信号，可以在单个子像素滤波器上获得k个中间态。
55.实际工作时，为了获得n个所需的不同子像素滤波器，可以通过改变子像素滤波器111的的厚度、尺寸、微纳周期、构成材料等，改变其透射谱。图6b展示了典型子像素滤波器的仿真透射谱，可以看到，通过改变子像素滤波器111周期，该子像素滤波器111透射谱可以发生明显变化。改变入射偏振（即施加电信号），透射谱也会发生明显变化。
56.图7展示了一种透射式时空共调制可调滤波器芯片构成的光谱成像系统，包括透镜、可调滤波器芯片、成像器件及控制系统，控制系统连接可调滤波器及成像器件，用来控制输入信号及图像采集，并对获取的数据进行处理。该可调滤波器芯片直接绑定在成像器件上，且其中的子像素滤波器与成像器件的像素一一对应。通过透镜，外界物体透过该滤波器芯片，被成像在ccd/cmos等成像芯片上。控制系统通过外部触发，将不同信号加载在该可调滤波器芯片上，图像传感器同步采集不同滤波状态下的图像数据。最终，在t时间的信号周期内，采集完全数据。
57.另外，针对高空间分辨率的场景，光谱复原时，算法中可以仅采用单个子像素滤波器，而其中间态数量可以设置为100，这样便可以构成一高空间分辨率的光谱成像系统，可以实现亚微米级光谱成像效果。总之，时间、空间分辨率可以通过设置合理中间态数量级子像素滤波器数量进行调整。
58.最后应说明的是，以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种应用于光谱成像的时空共调制可调滤波器芯片，其特征在于，包括元胞单元、电极、基底；其中电极及元胞单元位于基底上；元胞单元包括若干微纳结构构成的子像素滤波器，用来实现对入射光谱的调制；电极用来施加电信号，进而改变元胞单元的调制效果。2.如权利要求1所述的一种应用于光谱成像的时空共调制可调滤波器芯片，其特征在于：不同元胞单元中，具有相同数量的子像素滤波器；同一个元胞单元中，构成子像素滤波器的微纳结构各不相同，同时光谱响应也各不相同。3.如权利要求2所述的一种应用于光谱成像的时空共调制可调滤波器芯片，其特征在于：所述的子像素滤波器，由不同形状，和/或不同尺寸，和/或不同材料的微纳结构构成。4.如权利要求1所述的一种应用于光谱成像的时空共调制可调滤波器芯片，其特征在于：包括若干个元胞单元构成的阵列，每个元胞单元又由n个互不相同的子像素滤波器构成；通过加热、加电，或电化学反应外界刺激，改变每个子像素滤波器的透射或者反射谱，进而，在t时间内，每个子像素滤波器又产生k个滤波中间态，从而在t时间内，该可调滤波器芯片总共具有n
×
k个等效滤波状态，极限光谱分辨率与n
×
k正相关。5.如权利要求1所述的一种应用于光谱成像的时空共调制可调滤波器芯片，其特征在于：为反射式，所述的电极层包括微加热器、金属电极；子像素滤波器依次包括下层绝缘层、金属反射层、上层绝缘层、相变材料层。6.如权利要求1所述的一种应用于光谱成像的时空共调制可调滤波器芯片，其特征在于：为透射式，所述的子像素滤波器包括起偏器、定向层、液晶层、谐振层；入射光通过起偏器，在液晶层的作用下，偏振方向发生变化；谐振层是由具有周期性的、各向异性的结构单元构成。7.一种基于如权利要求1所述的一种应用于光谱成像的时空共调制可调滤波器芯片的光谱成像复原方法，其特征在于，每个子像素滤波器及其在不同电信号下所产生的中间态光谱响应，构成测量矩阵，该测量矩阵的行数为元胞单元中不同子像素滤波器的数量及每个子像素滤波器的中间态数量之积；测量时，在该滤波器芯片上加载不同电信号，得到成像器件在不同电信号下的响应，成像器件在不同信号下的响应构成响应矩阵，该响应矩阵与测量矩阵一起共同组成若干线性方程，解出该线性方程组的未知数，此即为入射光谱数据。8.如所述的权利要求7所述的光谱成像复原方法，其特征在于，测量时采集所有不同电信号下成像器件的响应矩阵，依据不同场景、指标要求，调整参与复原算法的子像素滤波器数量及子像素滤波器的中间态数量，实现不同光谱分辨率、空间分辨率、时间分辨率的自由切换；其中，子像素滤波器数量及子像素中间态数量共同决定光谱分辨率，子像素滤波器数量决定成像空间分辨率，子像素滤波器中间态数量决定系统成像速度也即时间分辨率；采用较少子像素滤波器数量、较多子像素滤波器的中间态数量，实现高光谱分辨率、高空间分辨率的光谱成像；采用较多子像素滤波器数量、较少子像素滤波器的中间态数量，实现高光谱分辨率、高时间分辨率的光谱成像。9.一种基于如权利要求1所述的时空共调制可调滤波器芯片的反射式的光谱成像系统，其特征在于，包括第一透镜、分束器、第二透镜、该可调滤波器芯片、第三透镜及控制系统，控制系统连接可调滤波器芯片和成像器件，用来控制输入信号及图像采集，并对获得数
据进行处理；第一透镜、分束器、第二透镜组成一成像系统，将物体成像至可调滤波器芯片，进行反射；第二透镜、分束器、第三透镜组成另一成像系统，将物体的像及可调滤波器芯片反射的光一起成像到成像器件；控制系统通过外部触发，将信号加载到该可调滤波器芯片上，同步采集不同滤波状态下的图像数据。10.一种基于如权利要求1所述的时空共调制可调滤波器芯片的透射式的光谱成像系统，其特征在于，包括透镜、该可调滤波器芯片、成像器件及控制系统，控制系统连接可调滤波器及成像器件，用来控制输入信号及图像采集，并对获取的数据进行处理；该可调滤波器芯片直接绑定在成像器件上；通过透镜，外界物体透过该滤波器芯片，被成像在成像器件上；控制系统通过外部触发，将不同信号加载在该可调滤波器芯片上，同步采集不同滤波状态下的图像数据。

技术总结
本发明公开了时空共调制可调滤波器芯片及其光谱成像复原方法和系统。时空共调制可调滤波器芯片包括元胞单元、电极、基底；电极及元胞单元位于基底上；元胞单元包括若干微纳结构构成的子像素滤波器，用来实现对入射光谱的调制；电极用来施加电信号，进而改变元胞单元的调制效果。若干个元胞单元构成阵列，每个元胞单元又由N个互不相同的子像素滤波器构成；通过改变每个子像素滤波器的透射或者反射谱，进而在T时间内，每个子像素滤波器又产生K个滤波中间态，极限光谱分辨率与N


技术研发人员：何赛灵 郭庭彪 林子舰 张智
受保护的技术使用者：浙江大学
技术研发日：2023.05.12
技术公布日：2023/9/5