一种基于相变材料的计算重构光谱系统及光谱成像方法

本技术涉及光谱成像，具体而言，涉及一种基于相变材料的计算重构光谱系统及光谱成像方法。

背景技术：

1、目前，光谱仪是一种广泛应用的科学仪器，在材料表征、化学分析、疾病诊断、环境监测等领域有着广泛的应用。在生物医学和通信等领域的应用更进一步推动了光谱仪小型化的研究。红外波段是指波长为2~20 µm的电磁波段，由于该波段存在大气透明窗口，同时物体热辐射、分子特征和官能团吸收峰也都位于该波段，因此红外波段被广泛地应用于红外热成像观测、物质成分分析、自由空间通讯等领域。

2、现有技术中，常见的光谱仪都使用分立的光学元件，使得器件臃肿庞大，限制了它们在新兴生物医学应用中的使用，例如手术引导和原位疾病诊断；换言之，现有的光谱仪存在光学元件在尺寸、重量的限制，难以进行小型化、集成化的问题。

技术实现思路

1、本技术实施例的目的在于提供一种基于相变材料的计算重构光谱系统及光谱成像方法，可以实现光谱成像器件的小型化及集成化的技术效果。

2、第一方面，本技术实施例提供了一种基于相变材料的计算重构光谱系统，包括相变材料层、基底和探测机构；

3、所述相变材料层堆叠于所述基底上，且所述相变材料层设置有预设纳米光子结构芯片，其中所述纳米光子结构芯片具有至少一个纳米光子结构，所述纳米光子结构对入射光具有对应的宽带光谱响应，通过所述纳米光子结构芯片构建光谱透射函数构造的响应矩阵；

4、所述探测机构与所述相变材料层连接，用于接收经过所述预设纳米光子结构芯片调制的信号流，并根据所述信号流获得计算重构光谱。

5、在上述实现过程中，该基于相变材料的计算重构光谱系统通过利用相变材料层中的纳米光子结构芯片，其中纳米光子结构芯片具有至少一个纳米光子结构，通过纳米光子结构构建光谱透射函数构造的响应矩阵；从而，在入射光输入至纳米光子结构芯片后，接收预设纳米光子结构芯片调制的信号流，信号流结合响应矩阵进行计算重构，可以获得入射光的光谱信息（即入射光的计算重构光谱）；由于纳米光子结构因其亚波长尺寸可以与入射光具有高效的相互作用，能够在很小的尺寸范围内对电磁波进行检测、操控和调制等，相较于传统的光学器件，纳米光子结构能够更加灵活的操控电磁波，易于器件的小型化和集成化，使光学元件在尺寸、重量以及功率等方面具有更大的发展潜力；该基于相变材料的计算重构光谱系统可以实现光谱成像器件的小型化及集成化的技术效果。

6、进一步地，所述纳米光子结构芯片为纳米光子结构阵列芯片，所述纳米光子结构阵列芯片具有多个纳米光子结构，通过所述纳米光子结构阵列芯片构建多个光谱透射函数构造的响应矩阵；

7、所述探测机构为图像传感器，所述图像传感器用于接收经过所述纳米光子结构阵列芯片调制的入射光信号流，并根据所述入射光信号流获得计算重构光谱。

8、在上述实现过程中，不同的纳米光子结构对入射光具有不同的宽带光谱响应，从而可以构建由不同光谱透射函数构造的响应矩阵；其中，图像传感器支持入射光对应的工作波段，用于接收并记录经过纳米光子结构阵列调制的入射光，并根据入射光信号流进行计算重构，获得计算重构光谱。

9、进一步地，所述计算重构光谱系统还包括顶电极层和底电极层，所述底电极层、所述相变材料层、所述顶电极层依次层叠设置，且所述预设纳米光子结构芯片具有单个纳米光子结构；

10、所述底电极层、所述顶电极层之间接通脉冲电流，所述相变材料层在所述脉冲电流的作用下相变材料进行非易失性相态变化，入射光经过所述相变材料层后产生的光电流。

11、在上述实现过程中，预设纳米光子结构芯片具有单个纳米光子结构，在不同脉冲电流作用下，纳米光子结构的相变材料进行非易失性相态变化，使得纳米光子结构的光谱响应函数发生变化，进而构建波长和激励相关的响应矩阵，从而结合光电探测器的输出电流来重建未知光谱。

12、进一步地，所述探测机构为光电探测器，所述光电探测器用于接收入射光经过所述相变材料层后产生的光电流。

13、进一步地，所述相变材料层包括gete-sb2te3的系列化合物、sb2te掺杂的系列化合物、sb掺杂的系列化合物、二氧化钒、氧化铟锡、液晶中的一种或多种。

14、进一步地，所述纳米光子结构的形状包括圆孔、圆柱、圆环、多边柱形中的一种或多种。

15、进一步地，所述基底的材料包括氟化钙、氟化钡、氟化镁等氟化物、硅、二氧化硅、氮化硅、蓝宝石中的一种或多种。

16、第二方面，本技术实施例提供了一种基于相变材料的计算重构光谱系统的光谱成像方法，应用于第一方面所述的基于相变材料的计算重构光谱系统，所述光谱成像方法包括：

17、根据所述纳米光子结构阵列芯片构建响应矩阵，所述响应矩阵中的每一个光谱响应函数对应一个所述纳米光子结构；

18、基于预设神经网络深度学习算法和所述响应矩阵将预设光谱数据集合导入所述纳米光子结构阵列芯片进行训练，获得光谱成像模型；

19、将待测入射光输入至所述纳米光子结构阵列芯片，获得像素图数据；

20、根据所述像素图数据和所述光谱成像模型进行计算重构，获得所述待测入射光的光谱信息。

21、在上述实现过程中，基于相变材料的计算重构光谱系统具有多个纳米光子结构构成的纳米光子结构阵列，每个纳米光子结构对应一个光谱响应函数，从而构建响应矩阵；基于神经网络深度学习训练，形成入射光的光谱信息与图像传感器的像素图数据之间的对应关系，获得光谱成像模型；进而，一束未知的入射光摄入光谱系统上，在图像传感器上得到一个像素图，电子计算机就可以通过光谱成像模型还原出入射光的光谱信息。

22、第三方面，本技术实施例提供了另一种基于相变材料的计算重构光谱系统的光谱成像方法，应用于第一方面所述的基于相变材料的计算重构光谱系统，所述光谱成像方法包括：

23、获取电流数据集合，所述电流数据集合包括多个驱动功率、脉冲宽度各不相同的电流数据；

24、根据所述电流数据集合构建响应矩阵，所述响应矩阵中的每一个光谱响应函数对应一个所述电流数据；

25、对所述电流数据集合进行遍历，并对遍历到的电流数据进行处理：

26、根据所述电流数据在所述底电极层和所述顶电极层之间施加脉冲电流，并将待测入射光输入至所述预设纳米光子结构芯片，获得一个光电流；

27、遍历完成后，获得多个光电流；

28、基于预设正则化算法、所述响应矩阵对所述多个光电流进行处理，获得所述待测入射光的光谱信息。

29、在上述实现过程中，基于相变材料的计算重构光谱系统具有单独的一个纳米光子结构，通过施加不同的电流，可以使相变材料层构建出多个态，每个相变材料层的态具有不同的介电常数，从而器件在相变材料不同态下一共拥有多个光谱响应函数，进而构建了电流与波长之间的响应矩阵；同时，光电探测器也由于不同的光谱响应函数得到了不同的光电流，通过预设正则化算法（如tikhonov正则化算法等）即可重建出入射光的光谱信息。

30、进一步地，所述光电流的计算公式为：

31、；

32、其中， λ表示待测入射光的波长， λ1表示第一预设波长， λn表示第二预设波长， ii表示第 i个光谱响应函数下的光电流， m表示响应矩阵中光谱响应函数的数量， ri( λ)表示第 i个光谱响应函数， f( λ)表示待测入射光的光谱信息。

33、本技术公开的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，或者，部分特征和优点可以从说明书推知或毫无疑义地确定，或者通过实施本技术公开的上述技术即可得知。

34、为使本技术的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。