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申请/专利权人：北京理工大学

摘要：本发明公开的基于连续谱束缚态超表面的光谱成像方法，属于微纳光学和光谱成像应用领域。本发明实现方法为：构成超表面的超原子结构为一对正交的矩形纳米孔，所有超原子具有相同的尺寸和转向角。超原子阵列支持由于周期变化而具有不同特征频率的准BIC模式。基于BIC超表面的频率选择性，每一种超原子阵列在支持的准BIC谐振频率下能作为带通滤波器。根据目标波段确定超表面单元的几何参数，制备BIC超表面。对单元结构的x周期进行扫描以引入响应波长不同的共振滤波器，实现对x偏振入射光的光谱调制。将每个超表面视为光谱调制的编码掩膜，对入射光束的光谱信息编码，将编码后的信息与光谱重建算法相结合实现对输入光谱的重建，即实现超表面光谱成像。

主权项：1.基于连续谱束缚态的超表面的光谱成像方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤一：使用FDTD或COMSOL对所设计超原子的光谱反射率进行扫描，分析BIC的耦合模式，根据所需光谱仪的响应波段确定结构尺寸和周期，得到具有M个周期的准BIC超表面光谱芯片；步骤二：使单色仪发出的单色激光照射BIC超表面芯片表面，反射光被相机接收，逐波长调整单色仪的输出，记录对应超表面的图像的和功率计数值，得到标定矩阵R，其中矩阵的行向量为滤波器的光谱反射率曲线Riλ，i∈{1,2,…,M}；步骤三：某空间点发出的待测光照射超表面光谱成像芯片表面，反射光被相机接收，得到包含待测光信息的灰度图像，将此图像输入重建算法得到该点的光谱曲线，遍历K×K个超像素光谱仪进而实现超表面光谱成像；步骤3.1：超像素光谱仪的工作波段为λ1～λ2，第i个滤波器对应的传感器像素得到的强度值bi用下式表示： 其中fλ是待重建的入射光谱曲线，ηλ是探测器的量子效率，ni为测量中第i个滤波器的随机噪声，Aiλ＝Riληλ；式1表示为： 其中N表示可重建的波段数，Aij表示第j个波段的光在第i个滤波器下受到的调制；f为待重建的入射光谱向量，其中的元素fj表示第j个波段的光谱强度，j∈{1,2,…,N}；矩阵A为观测矩阵，每行代表一个滤波器下的调制；将所有波长的强度累加求和即为探测器感知的光强b；步骤3.2：光谱探测；经超表面调制后的光被单色的红外传感器接收得到一幅二维灰度图，选取K×K个超像素光谱仪中的一个计算，将其中的M个数值重新排列为列向量b；为了从强度值中重建光谱需要求解欠定方程中逆问题，使用TV正则化作为惩罚项，将重建过程的损失函数写为如下形式： 损失函数L的第一项为光谱的保真项，表示实际测量值与重建光谱的误差；第二项为惩罚项，使用权重因子τ来调整惩罚相对于保真项的比重；TV表示全变分正则化，对光谱的重建过程施加约束；调整TV项的惩罚力度会影响重建结果的准确性和稳定性，当τ越小，越能够保留光谱中尖锐的细节特征；反之当τ的数值越大，对光谱的细节越敏感，在重建时通过剔除细节信息而具有准确的光谱轮廓，更适用于宽带光谱的重建；需要根据需求合理地设置权重因子，从而得到一个清晰、稳定的重建图像；步骤3.3：光谱成像；对全部的K×K个超像素重复步骤3.2中的流程，遍历所有像素后得到每个空间点的光谱信息，按照原来的顺序排列即可得到K×K×N的光谱数据立方体，即实现支持连续谱束缚态的超表面光谱成像。

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