一种基于二维材料/硅光电探测器的多光谱单像素成像系统

本发明属于图像传感器技术与多光谱成像，具体涉及一种基于二维材料/硅光电探测器的多光谱单像素成像系统。

背景技术：

1、多光谱成像技术是一种能够同时获取目标光谱信息和空间图像信息的成像技术，被广泛应用于材料鉴别、遥感监测、农业监测、矿产勘测、医学诊断等各个领域。然而传统的多光谱成像系统主要依赖于色散元件或一系列窄带滤波片，存在成本高、体积大、光路复杂等缺点，同时对传感器的探测光谱范围也有一定的要求。

2、目前基于硅、锗、铟镓砷、碲镉汞等传统半导体材料的光电探测器已经被广泛商业化地使用，然而这些光电探测器往往只能在特定的波段下进行探测。例如市售的基于p-n结的硅基光电二极管的探测波长一般为300nm-1100nm，被广泛应用于可见光波段的光电探测，且具有与常规的集成电路cmos工艺兼容的优势。然而传统的硅基光电探测器受到硅1.1ev带隙的限制，无法探测到更长的波段，这对光电探测器以及多光谱成像技术的进一步发展都带来了挑战，探测波段范围更广且更加低成本、集成化、便携化是目前多光谱成像系统的发展趋势。

技术实现思路

1、为了解决现有技术的问题，本发明提供了一种基于二维材料/硅光电探测器的多光谱单像素成像系统。

2、本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于二维材料/硅光电探测器的多光谱单像素成像系统，该系统包括扫频成像模块、空间光调制模块、单点探测器、数据采集模块和图像重建模块；

3、所述扫频成像模块，使用扫频激光器作为扫频光源照明目标物体，目标物体的反射光通过镜头成像在空间光调制器上，作为目标图像；

4、所述空间光调制模块，使用数字微镜器件作为空间光调制器对目标图像进行调制，数字微镜器件加载的调制矩阵为哈达玛矩阵，调制后的目标图像经过透镜聚焦在单点探测器上；

5、所述单点探测器为二维材料/硅光电探测器，所述二维材料/硅光电探测器输出的电流与接收的光强成正相关，反映不同调制矩阵下目标图像光强的变化；

6、所述数据采集模块，使用跨阻放大器将单点探测器的输出电流放大并转化为电压，使用数据采集卡接收与调制矩阵一一对应的电压值；

7、所述图像重建模块，使用计算机接收数据采集卡的输出数据，并根据所使用的调制矩阵、对应的电压值以及单点探测器在不同波长下的响应度，重构目标图像。

8、进一步地，所述扫频激光器在成像过程中不断进行波长扫描，在数字微镜器件每加载一个调制矩阵时，扫频激光器均进行一次波长扫描，使得一次调制能够获得一组多光谱下的单像素成像测量值。

9、进一步地，所述数字微镜器件加载的调制矩阵为一系列哈达玛矩阵，哈达玛矩阵为二值矩阵，调制矩阵使用差分的方法进行测量，对于每个用于调制目标图像的哈达玛矩阵，均有一个与之相反的二值矩阵，将二者对应的单点探测器获得的测量值相减得到差分后的测量值。

10、进一步地，所述二维材料/硅光电探测器为垂直结构的光电探测器，包括硅衬底，所述硅衬底的底部设有金属底电极，上表面覆盖二氧化硅层，在二氧化硅层中开有硅窗口，并在二氧化硅层上表面设置金属顶电极，之后在金属顶电极和硅窗口上转移二维材料薄膜形成二维材料层，使得二维材料层与硅衬底接触形成肖特基结；调制后的目标图像全部聚焦在覆盖二维材料的硅窗口上，在金属顶电极和金属底电极之间施加反向偏压，并采集电流值，作为特定调制矩阵在特定波长下的单像素成像测量值。

11、进一步地，所述多光谱单像素成像系统的成像过程描述为：在k个不同波长下，像素数量为n的目标图像在扫频光源下被一系列哈达玛矩阵调制，m为哈达玛矩阵数量，且所使用的单点探测器的响应度为r(λi)，1≤i≤k；所有k个波长下的单点探测器的响应度记为每个调制矩阵和波长下对应的单点探测器的电流测量值其中为波长λi对应的目标图像，所有m个调制矩阵以及k个波长下的电流测量值y构成测量值矩阵根据测量值矩阵y、对应的调制矩阵φ以及单点探测器的响应度r实现目标图像的多光谱重建。

12、进一步地，使用基于图像全变分的迭代收缩阈值法，通过解决以下优化问题重建多光谱图像：

13、

14、其中，图像先验项选取为二维图像的全变分；σ为权重系数；初始时，设置的初值在第k次迭代中，计算公式如下：

15、

16、其中，ρ为梯度下降步长，d为预设迭代次数，proxσh为近端算子，公式如下：

17、

18、经过d次迭代得到的二维图像即为重建的多光谱图像，记为x(d)，公式如下：

19、

20、本发明的有益效果在于：本发明结合了新型二维材料/硅光电探测器与单像素成像系统，在传感器层面利用了二维材料/硅光电探测器宽探测光谱、高响应速度、低器件噪声的优势，同时在成像层面利用单像素成像的方式解决了新型高性能光电探测器难以阵列化制备的问题，并在单像素成像得到的二维空间图像的基础上增加一维光谱维度的信息，实现光谱图像的数据采集与重建，实现了一种宽波段、集成化、低成本的多光谱单像素成像系统。

技术特征：

1.一种基于二维材料/硅光电探测器的多光谱单像素成像系统，其特征在于，包括扫频成像模块、空间光调制模块、单点探测器、数据采集模块和图像重建模块；

2.根据权利要求1所述的基于二维材料/硅光电探测器的多光谱单像素成像系统，其特征在于，所述扫频激光器在成像过程中不断进行波长扫描，在数字微镜器件每加载一个调制矩阵时，扫频激光器均进行一次波长扫描，使得一次调制能够获得一组多光谱下的单像素成像测量值。

3.根据权利要求1所述的基于二维材料/硅光电探测器的多光谱单像素成像系统，其特征在于，所述数字微镜器件加载的调制矩阵为一系列哈达玛矩阵，哈达玛矩阵为二值矩阵，调制矩阵使用差分的方法进行测量，对于每个用于调制目标图像的哈达玛矩阵，均有一个与之相反的二值矩阵，将二者对应的单点探测器获得的测量值相减得到差分后的测量值。

4.根据权利要求1所述的基于二维材料/硅光电探测器的多光谱单像素成像系统，其特征在于，所述二维材料/硅光电探测器为垂直结构的光电探测器，包括硅衬底，所述硅衬底的底部设有金属底电极，上表面覆盖二氧化硅层，在二氧化硅层中开有硅窗口，并在二氧化硅层上表面设置金属顶电极，之后在金属顶电极和硅窗口上转移二维材料薄膜形成二维材料层，使得二维材料层与硅衬底接触形成肖特基结；调制后的目标图像全部聚焦在覆盖二维材料的硅窗口上，在金属顶电极和金属底电极之间施加反向偏压，并采集电流值，作为特定调制矩阵在特定波长下的单像素成像测量值。

5.根据权利要求1所述的基于二维材料/硅光电探测器的多光谱单像素成像系统，其特征在于，所述多光谱单像素成像系统的成像过程描述为：在k个不同波长下，像素数量为n的目标图像在扫频光源下被一系列哈达玛矩阵调制，m为哈达玛矩阵数量，且所使用的单点探测器的响应度为r(λi)，1≤i≤k；所有k个波长下的单点探测器的响应度记为每个调制矩阵和波长下对应的单点探测器的电流测量值其中为波长λi对应的目标图像，所有m个调制矩阵以及k个波长下的电流测量值y构成测量值矩阵根据测量值矩阵y、对应的调制矩阵φ以及单点探测器的响应度r实现目标图像的多光谱重建。

6.根据权利要求5所述的基于二维材料/硅光电探测器的多光谱单像素成像系统，其特征在于，使用基于图像全变分的迭代收缩阈值法，通过解决以下优化问题重建多光谱图像：

技术总结本发明公开了一种基于二维材料/硅光电探测器的多光谱单像素成像系统，本发明在传感器层面利用了二维材料/硅光电探测器宽探测光谱、高响应速度、低器件噪声的优势，同时在成像层面结合单像素成像的方式解决了新型高性能光电探测器难以阵列化制备的问题，并基于器件在不同波长的光下的响应度，在单像素成像得到的二维图像的基础上增加光谱维度的信息，实现光谱图像的数据采集与重建，实现了一种宽波段、集成化、低成本的多光谱单像素成像系统。技术研发人员：徐杨,戴越,徐心艺,田丰,俞滨受保护的技术使用者：浙江大学技术研发日：技术公布日：2024/7/18