高光谱成像与检测技术是集新型探测技术、精密光学器件、高速信号处理技术于一体的综合性技术，在地质、海洋、农业、大气和环境探测领域已经得到了广泛应用。在食品、医药、医学等工业检测领域，高光谱视觉检测技术具有极大的发展潜力，亟需突破成像设备小型化、高速化，以满足工业生产中的高速高精视觉检测需求。现有的大型高光谱成像设备体积庞大，价格昂贵，成像速度慢，限制了其大规模推广，而市面上的便携式高光谱相机均需要空间扫描或光谱扫描，拍摄时间较长。本文研究了一种基于光子晶体阵列的小型快照式高光谱成像系统，实现了较高的光谱分辨率和空间分辨率，且易于制造，该技术有利于推动高光谱视觉检测在工业领域的应用。
　　分析了高光谱检测技术应用于工业检测所面临的挑战，由于常规的高光谱成像装置中的光谱传感器需要较长的光路以便将邻近波长的光分开，在自由空间中设计较长的光路就需要复杂精密的光学元件，导致高光谱成像设备体积、价格均无法降低。光子晶体的复杂表面结构可以使光在其中多次反射和折射，可以在很小的空间内实现很长的光路，复杂的光响应特性使它能够产生非常丰富的光传输特征，与压缩感知技术相结合可以实现小型、快照式高光谱成像，通过进一步设计高光谱图像处理算法，实现了基于光子晶体阵列的高光谱成像与检测系统。主要研究内容包括：
　　1．分析了光谱分光的基本原理，提出采用光子晶体滤波的小型快照式高光谱成像方案。由具有不同结构的光子晶体组成光学滤波阵列，对入射的多波段复合光进行分散下采样或者重新编码采样，图像传感器各像素点同时捕捉不同空间位置和不同波段的光谱信息，借助光谱重构组件对目标场景进行高光谱图像重建，实现了小型化和快照式高光谱成像。
　　2．分析了光子晶体的结构特点，设计了基于光子晶体滤波阵列的光谱传感器，提出了基于窄带滤波的光谱感知方案和基于宽带滤波和压缩感知理论的高光谱重建方法，通过设计光谱感知实验并与商用光谱仪进行对比，证明了该利用光子晶体阵列进行高光谱成像的技术达到了商用水平。
　　3．设计了两种周期性孔阵列的光子晶体结构，并采用FDTD方法和CMT方法研究了光子晶体的传输特性。研究了具有环形孔阵列结构的光子晶体和具有双周期孔阵列结构的光子晶体的光学反射特性，由于光学束缚态的存在，该阵列结构会产生一个窄带反射谱，具有极高的品质因子。通过改变光子晶体环形孔内外半径、晶格常数和周围介质折射率等结构参数，实验验证了结构参数的改变对反射特性的影响。所设计的两种结构的光子晶体品质因子甚至超过105，这一窄带滤波特性可以理想地用于设计分光元件。
　　4．研究了金纳米阵列结构的光子晶体传输特性与调控理论，设计了金纳米线二聚体阵列、金纳米棒三聚体阵列、金属/电介质复合结构等多种结构的光子晶体，深入研究了光在金属和电介质结构中的传输机理。分别研究了透射谱随结构参数的变化情况，分析了引起这些变化的基本原理。这种复杂的光子晶体结构可以产生非常多样的光传输特性，该研究可以为新型光谱传感器的设计提供理论指导。
　　5．提出了一种基于光子晶体滤光和压缩感知理论的光谱感测方法，在很小的设备尺寸、较低的采样次数的情况下实现了较高分辨率的光谱感知。分析了光子晶体结构设计、入射角的改变对光谱感知性能的影响，分别采用窄带光谱、光谱数据库、和真实医药高光谱图像进行实验验证，证明了利用光子晶体的光学响应曲线作为压缩感知中的感知矩阵，不仅加了光通量，并且大大减少了采样次数，实现了精确的光谱重建结果。
　　6．提出一种光谱维边缘保持滤波的高光谱图像分类方法，对普通的边缘保持滤波算法进行改进，设计了一种光谱域边缘保持滤波算法。将边缘保持滤波器应用于高光谱图像的光谱域，可以在保持光谱曲线连续性的同时有效地融合空间信息。通过调节该滤波算法的参数并结合SVM，MLR和RF分类器进行实验，分析了滤波器窗口大小、空间光谱权重等参数对分类结果的影响，采用多个真实的高光谱图像进行了实验测试，结果表明，所提出的方法在滤除光谱噪声信息的同时融合了空间信息，在所有测试中都得到了最优的分类精度。
　　本文提出了采用光子晶体滤波阵列的高光谱成像方案和高光谱图像分类方法，设计了小型便携式高光谱成像系统，研究了几种类型的光子晶体的光学传输特性和调控机理，提出了利用光子晶体滤波和压缩感知理论的高光谱图像重建方法，并设计了高光谱图像分类算法。实现了高光谱相机的小型化和快照式成像，配合高光谱图像分类算法，可促进了高光谱视觉检测技术在视觉检测领域的进一步应用。