本發(fā)明涉及光學(xué)成像，尤其涉及一種基于超表面的中波紅外寬帶大視場(chǎng)成像系統(tǒng)及相關(guān)方法。

背景技術(shù)：

1、中波紅外寬帶大視場(chǎng)成像系統(tǒng)在環(huán)境監(jiān)測(cè)、自動(dòng)駕駛、醫(yī)療成像和航空航天等多個(gè)領(lǐng)域都至關(guān)重要。早期的光學(xué)設(shè)計(jì)主要采用魚眼和全景鏡頭，通過選擇合適的鏡頭參數(shù)或采用特定的配置來實(shí)現(xiàn)寬視場(chǎng)角。然而，這些系統(tǒng)往往存在嚴(yán)重的像差、色度失真和圖像偽影，無法實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量成像。研究人員引入了非球面光學(xué)元件和衍射光學(xué)元件來緩解這些問題，從而大大降低了像差，提高了成像的清晰度和均勻性。非球面透鏡可在更大的視場(chǎng)范圍內(nèi)提供更一致的圖像平面，而衍射光學(xué)元件則利用專門設(shè)計(jì)的光學(xué)結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步拓寬了應(yīng)用范圍。此外，微透鏡陣列系統(tǒng)通過集成眾多小型透鏡，有效實(shí)現(xiàn)了寬視場(chǎng)成像，有利于三維成像和深度信息的獲取。然而，這些系統(tǒng)也面臨著一些挑戰(zhàn)，包括加工難度、光路復(fù)雜性增加以及微透鏡間距造成的封裝困難。超表面已在寬視場(chǎng)成像應(yīng)用中展現(xiàn)出巨大潛力。然而，單一超表面難以同時(shí)滿足大視場(chǎng)和超寬帶的工作要求。

2、基于此，本發(fā)明提出一種基于超表面的中波紅外寬帶大視場(chǎng)成像系統(tǒng)及相關(guān)方法，以期解決上述問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了解決以上技術(shù)問題，本發(fā)明提出了一種基于超表面的中波紅外寬帶大視場(chǎng)成像系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)寬帶大視場(chǎng)成像。該系統(tǒng)由三片折射透鏡和兩個(gè)超表面組成，且折射透鏡的面型均為球面或平面，加工難度較小。同時(shí)，通過選擇合適的透鏡材料和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，在-40°c~60°c范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了無熱化設(shè)計(jì)。此外，基于雙層超表面設(shè)計(jì)了線偏振器和1/4波片，進(jìn)一步縮小了系統(tǒng)體積和減輕了系統(tǒng)重量。該系統(tǒng)有望應(yīng)用于目標(biāo)識(shí)別、安防等領(lǐng)域。

2、為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了如下技術(shù)方案：

3、第一方面，本技術(shù)提供了一種基于超表面的中波紅外寬帶大視場(chǎng)成像系統(tǒng)，包括沿光軸方向依次設(shè)置的第一透鏡、基于雙層超表面設(shè)計(jì)的線偏振器和1/4波片、光闌、第二透鏡、第三透鏡以及幾何相位型超表面；

4、其中，第一透鏡為平凹透鏡、第二透鏡和第三透鏡均為凹凸透鏡；且第一透鏡、第二透鏡以及第三透鏡的物側(cè)面和像側(cè)面均為球面或平面；幾何相位型超表面的單元結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)角度為θ，通過旋轉(zhuǎn)角度θ實(shí)現(xiàn)所述成像系統(tǒng)所需的相位分布。

5、進(jìn)一步地，所述第一透鏡像側(cè)面為凹面、第二透鏡的物側(cè)面和像側(cè)面為凹面和凸面、第三透鏡的物側(cè)面和像側(cè)面為凸面和凹面；

6、進(jìn)一步地，基于雙層超表面設(shè)計(jì)的線偏振器和1/4波片均為光柵型超表面，其中前層結(jié)構(gòu)為雙層光柵型，且采用過刻蝕工藝；后層結(jié)構(gòu)為單層光柵型，且與前層中的光柵結(jié)構(gòu)夾角為45°。

7、進(jìn)一步地，所述第一透鏡材料為氯化鉀，第二透鏡材料為硅，第三透鏡材料為溴碘化鉈。

8、進(jìn)一步地，所述成像系統(tǒng)滿足25mm<ttl<35mm，成像系統(tǒng)的后截距小于5mm；其中ttl為所述成像系統(tǒng)總長。

9、進(jìn)一步地，所述線偏振器結(jié)構(gòu)為一維雙層光柵構(gòu)型，頂層的金屬材料包括金、銀以及銅的任意一種，基底材料為氟化鎂、氟化鈣以及氟化鋇中的任意一種；周期為p1且0.05λ0<p1<0.15λ0；所述單元結(jié)構(gòu)寬度為w1且0.025λ0<?w1<0.075λ0；所述單元結(jié)構(gòu)頂層金屬厚度為h1且0.05λ0<h1<0.15λ0；所述單元結(jié)構(gòu)基底刻蝕厚度為h2且0.05λ0<h2<0.15λ0；基底厚度不超過0.5mm，其中λ0為中心波長。

10、進(jìn)一步地，線偏振器結(jié)構(gòu)為一維光柵構(gòu)型，頂層的介質(zhì)材料為晶體硅、多晶硅以及單晶硅中的任意一種，基底材料為氟化鎂、氟化鈣以及氟化鋇中的任意一種；其周期為p2且0.15λ0<p2<0.25λ0；所述單元結(jié)構(gòu)寬度為w2且0.05λ0<w2<0.15λ0；所述單元結(jié)構(gòu)頂層介質(zhì)厚度為h3且0.15λ0<h3<0.25λ0；基底厚度不超過1mm，其中λ0為中心波長。

11、進(jìn)一步地，所述幾何相位型超表面的單元結(jié)構(gòu)周期為p3且0.15λ0<?p3<0.5λ0；上方介質(zhì)柱的寬度為w3且0.025λ0<w3<0.8λ0；上方介質(zhì)柱的長度為l且0.25λ0<l<0.5λ0；所述單元結(jié)構(gòu)的材料為硅，并且以正方形排布在基底上，基底厚度不超過1mm，其中λ0為中心波長。

12、第二方面，本技術(shù)提供了所述的成像系統(tǒng)在目標(biāo)識(shí)別、安防領(lǐng)域的應(yīng)用。

13、第三方面，本技術(shù)提供了一種應(yīng)用于上述成像系統(tǒng)的線偏振器和1/4波片設(shè)計(jì)方法，該方法包括如下步驟：

14、步驟一：確定成像系統(tǒng)的工作波長λ和選擇相應(yīng)的低光學(xué)損耗超表面材料；

15、步驟二：確定超表面的結(jié)構(gòu)參數(shù)，利用光學(xué)仿真軟件設(shè)計(jì)合適的單元結(jié)構(gòu)尺寸和排布方式；

16、步驟三：確定器件的光學(xué)響應(yīng)，根據(jù)結(jié)果并返回步驟二，對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行微調(diào)，得到該線偏振器和1/4波片。

17、第四方面，本技術(shù)提供了應(yīng)用于上述成像系統(tǒng)的幾何相位型超表面的設(shè)計(jì)方法，該方法如下步驟：

18、步驟一：根據(jù)工作波段選擇相應(yīng)的低光學(xué)損耗超表面材料；

19、步驟二：根據(jù)系統(tǒng)中得到的相位分布，匹配幾何相位型超表面的相位分布；

20、步驟三：利用光學(xué)仿真軟件設(shè)計(jì)合適的單元結(jié)構(gòu)尺寸和排布方式，得到該幾何相位型超表面。

21、技術(shù)效果

22、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供的一種基于超表面的中波紅外寬帶大視場(chǎng)成像系統(tǒng)及相關(guān)方法，具有如下技術(shù)效果：

23、1.本技術(shù)成像系統(tǒng)中，僅由三個(gè)折射透鏡和兩個(gè)超表面組成，折射透鏡的面型均為球面或平面，易于加工且裝配簡(jiǎn)單。通過優(yōu)化透鏡材料以及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)總長為29mm，在-40°c~60°c范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了無熱化設(shè)計(jì)；通過查看系統(tǒng)的光學(xué)調(diào)制函數(shù)曲線圖（mtf）和點(diǎn)列圖，結(jié)果表明在不同視場(chǎng)下，系統(tǒng)的mtf曲線逼近衍射極限下的mtf曲線，彌散斑的均方根（rms）半徑均小于艾里斑半徑，并且對(duì)應(yīng)的幾何（geo）半徑也均小于探測(cè)器的像元尺寸，實(shí)現(xiàn)了3-5μm的工作帶寬和178°的成像視場(chǎng)，并且在整個(gè)視場(chǎng)范圍內(nèi)的成像質(zhì)量?jī)?yōu)良，能夠獲得非常豐富的物空間信息，提高了實(shí)用性，有望廣泛應(yīng)用于目標(biāo)識(shí)別、安防等領(lǐng)域。

24、2.本技術(shù)基于雙層超表面設(shè)計(jì)的圓偏振器，其單元結(jié)構(gòu)均為光柵構(gòu)型，加工難度較低，并且進(jìn)一步縮小了系統(tǒng)總長和減小了系統(tǒng)體積，提高了系統(tǒng)的集成度。此外，還通過選擇合適的透鏡材料，在-40°c-60°c范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了無熱化設(shè)計(jì)，以確保在極端條件下的性能。在0°、20°和40°入射角下，基于雙層光柵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的線偏振器對(duì)x偏振光的透射率大于0.86，而y偏振光的透射率接近0，所設(shè)計(jì)的四分之一波片對(duì)x偏振光和y偏振光的相位延遲差值保持在約0.25λ，在40°入射角下的平均誤差小于0.1λ。

25、3.本技術(shù)提供的應(yīng)用于上述成像系統(tǒng)的幾何相位型超表面的設(shè)計(jì)方法，超表面的設(shè)計(jì)中采用了全硅結(jié)構(gòu)，單元結(jié)構(gòu)周期p為1.5μm，長度l為1.3μm，寬度w為0.17μm，高度h為4μm。結(jié)果表明在3-5μm波長范圍內(nèi)的平均透過率達(dá)到了0.7以上且平均轉(zhuǎn)換效率大于0.59。通過旋轉(zhuǎn)單元結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)角θ，能夠提供2θ的相移，結(jié)果表明幾何相位型超表面與二元面2的相位匹配誤差在±3.5度以內(nèi)。