CN111367088B - 一种基于超构表面的正交偏振光成像衍射光学器件 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于超构表面的正交偏振光成像衍射光学器件，由衬底和以阵列形式布设于所述衬底表面的亚波长光学天线组成；亚波长光学天线阵列为二维阵列，分别以平行于亚波长光学天线阵列行和列的方向作为x轴和y轴；各光学天线沿xy平面的横截面形状均具有C₂对称性，各光学天线的长度和宽度均分别为工作波长的1/20至1/2，各光学天线的高度均相等、均在亚波长范围内，相邻两光学天线的中心距均相等、且不超过工作波长的一半；通过设计各光学天线的长宽实现对正交线偏振光施加传输相位，通过设计各光学天线的长宽和旋转角度实现对正交圆偏振光同时施加传输相位和几何相位。本发明用一个单元结构即可实现正交偏振光的同时不同位置聚焦成像。

Description

一种基于超构表面的正交偏振光成像衍射光学器件

技术领域

本发明可被应用于正交偏振光成像等领域，特别涉及一种基于超构表面的正交偏振光成像衍射光学器件。

背景技术

偏振是光的基本属性的一种。物质因其自身属性(如表面特性、粗糙度、阴影和外形等)不同会具有不同的偏振特性(会产生其自身性质决定的特征偏振)。偏振成像是在实时获取目标偏振信息的基础上利用所得到的信息进行目标重构增强的过程，与强度成像、光谱成像、红外辐射成像等技术相比，除了获取传统成像信息外，还能够额外获取偏振信息，是具有巨大应用价值的前沿技术，特别适合于隐身、伪装、虚假目标的探测识别，在雾霾、烟尘、水下等恶劣环境下能提高光电探测装备的目标探测识别能力。

偏振成像模块主要由偏振光学元件、成像元件、感光器件等部件构成，其中偏振光学元件的性能和偏振调控方式很大程度上决定了偏振成像模块的偏振探测能力、时间和空间分辨率、成像效率等关键指标。传统的偏振光学元件是偏振片，偏振片的特点是只允许在一个特定平面内振动的光通过，因此偏振成像模块的具体实现方式包括两种：1、时序式，通过旋转偏振片或者液晶调制的方式分时同像素获取物体的多个偏振信息；2、分光式，通过分孔径、分振幅、分焦面等方式同时不同像素获取目标多个偏振信息。由于时序式主要针对静态成像；而分光式降低了到达每个像素的光能量，导致效率较低；且偏振分光与聚焦成像需要两个光学元件实现，难于集成化和小型化，严重制约了偏振成像的实际应用。

近年来，超构表面(Metasurface)的提出引起了广泛关注，通过表面上亚波长尺度的结构设计，可以实现偏振敏感的光束控制，有望克服传统偏振片时间分辨率低和聚焦效率低的限制，实现偏振成像模块的小型化和集成化。如哈佛大学Capasso教授课题组已利用几何相位原理使用两种偏振敏感结构组合的宏结构实现了基于二氧化钛材料的多光谱手性成像的超透镜，但由于采用宏结构方式，使得聚焦效率存在50％理论阈值。

发明内容

针对现有技术中偏振成像元件体积大、效率不高的问题，本发明提供了一种通过设计亚波长纳米柱天线的几何尺寸和排布方式，实现紧凑型、高效率、偏振分光和聚焦成像一体的正交偏振光同时成像光学器件。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明提出的一种基于超构表面的正交偏振光成像衍射光学器件，用于对正交线偏振光施加传输相位，其特征在于，由衬底和以阵列形式布设于所述衬底表面的亚波长光学天线组成；亚波长光学天线阵列为二维阵列，分别以平行于亚波长光学天线阵列行和列的方向作为x轴和y轴；各光学天线沿xy平面的横截面形状均具有C₂对称性，各光学天线的长度和宽度均分别为工作波长的1/20至1/2，各光学天线的高度均相等、均在亚波长范围内，相邻两光学天线的中心距均相等、且不超过工作波长的一半；

所述二维阵列中各光学天线的分布按照以下步骤确定：

1)根据工作波长λ，利用时域有限差分或严格耦合波分析方法，计算单个光学天线在不同高度、中心距、长度和宽度的情况下，对正交X线偏振和Y线偏振入射光的相位和透过率的调制情况；令相邻两光学天线的中心距和各光学天线的高度均保持不变，筛选出满足：透过率接近于1、正交线偏振入射光相位调制范围为[0,2π]条件的所有光学天线的长度、宽度范围，并存为数据库；

2)利用N阶线性相位均分0-360度相位，N取6～10，将N个X线偏振光与N个Y线偏正光相对应得到的N²个相位对应关系作为相位基；在设定误差±360/N范围内遍历数据库中各数据以查找满足上述相位基要求的光学天线尺寸，然后利用光学天线实际相位与对应相位基中相位的最小方差确定各最优相位基及最优相位基对应的光学天线尺寸，以此构建相位基光学天线尺寸对应表；

3)根据所述正交偏振光成像衍射光学器件的工作波长λ、焦距f、直径D和偏折角度θ要求，利用以下公式确定该正交偏振光成像衍射光学器件直径范围内任意(x,y)坐标处的光学天线的正交偏振光目标相位

和

其中，-D/2≤x≤D/2,-D/2≤y≤D/2；

将

和

转换为角度值后模除以360，用得到的值分别更新

和

然后按照±360/N误差范围将更新后的

和

转换为N阶相位基的值；

4)在步骤2)构建的相位基光学天线尺寸对应表中查找与步骤3)计算的各(x,y)坐标处光学天线的更新后正交线偏振光目标相位对应的最优相位基，并根据该最优相位基确定(x,y)坐标处的光学天线尺寸。

本发明还提出一种基于超构表面的正交偏振光成像衍射光学器件，用于对正交圆偏振光同时施加传输相位和几何相位，其特征在于，由衬底和以阵列形式布设于所述衬底表面的亚波长光学天线组成；亚波长光学天线阵列为二维阵列，分别以平行于亚波长光学天线阵列行和列的方向作为x轴和y轴；各光学天线沿xy平面的横截面形状均具有C₂对称性，各光学天线的长度和宽度均分别为工作波长的1/20至1/2，各光学天线的高度均相等、均在亚波长范围内，相邻两光学天线的中心距均相等、且不超过工作波长的一半；

所述二维阵列所述二维阵列中各光学天线的分布按照以下步骤确定：

1)根据工作波长λ，利用时域有限差分或严格耦合波分析方法，计算单个光学天线在不同高度、中心距、长度和宽度的情况下，对正交X线偏振和Y线偏振入射光的相位和透过率的调制情况；令相邻两光学天线的中心距和各光学天线的高度均保持不变，筛选出满足：透过率接近于1、正交线偏振入射光相位调制范围为[0,2π]条件的所有光学天线的长度、宽度范围，并存为数据库；

2)根据步骤1)中采用的X线偏振和Y线偏振入射光相位计算得到左/右旋圆偏振光入射时出射右/左旋圆偏振光相位、透射率和转换效率分布，筛选满足[0,2π]相位分布的最高透射率和转换效率点，以此构成最优点集合；

3)利用N阶线性相位均分0-360度相位，N取6～10，将N个值作为相位基，在设定误差±360/N范围内遍历数据库中各数据以查找满足上述相位基要求的光学天线尺寸，利用步骤2)得到的最优点集合的出射左/右旋圆偏振光相位与上述相位基的最小方差确定各最优相位基及最优相位基对应的最优光学天线尺寸，以此构建相位基光学天线尺寸对应表；

4)根据所述正交偏振光成像衍射光学器件的工作波长λ、焦距f、直径D和偏折角度θ要求，利用以下公式确定该正交偏振光成像衍射光学器件直径范围内任意(x,y)坐标处的光学天线的正交偏振光目标相位

和

其中，-D/2≤x≤D/2,-D/2≤y≤D/2；

将

和

转换为角度值后模除以360，用得到的值分别更新

和

然后按照±360/N误差范围将更新后的

和

转换为N阶相位基的值；

5)根据如下公式计算所述正交偏振光成像衍射光学器件直径范围内(x,y)坐标处光学天线的传输相位TP和几何相位GP：

6)在步骤3)构建的相位基天线尺寸对应表中查找与步骤5)计算的各(x,y)坐标处光学天线的传输相位TP对应的相位基，根据该相位基确定(x,y)坐标处的光学天线尺寸，同时将光学天线旋转GP/2度。

本发明的特点及有益效果如下：本发明利用高折射率的电介质材料设计了一种相位调制的光学天线，通过选取合适的天线材料和合理设计天线的几何尺寸，可实现同一单元结构对紫外、可见、一直到微波波段的正交偏振光0到2π范围内任意的相位调制，并且保持较高的透射率或反射率。通过设计和优化每个天线的尺寸和排布，可以实现偏振分光、聚焦成像同一元件实现的高效率偏振成像元件。本发明用一个单元结构实现正交偏振光的同时不同位置聚焦成像，有望克服聚焦效率理论阈值限制，使得实时、高效率、集成化的偏振成像模块成为可能。

附图说明

图1是本发明实施例作为正交线偏振光偏振成像衍射光学器件的侧视图；

图2是图1所示衍射光学器件的俯视图；

图3是本发明实施例作为正交圆偏振光偏振成像衍射光学器件的俯视图；

图4是图1所示衍射光学器件中，二维光学天线对正交线偏振入射光的相位和透射率调制量随光学天线长宽的变化关系；其中(a)、(b)分别为各天线对X线偏振入射光相位的调制量和透射率与相应天线的长度、宽度的关系，(c)、(d)分别为各天线对Y线偏振入射光相位的调制量和透射率与相应天线的长度、宽度的关系；

图5是由本发明正交线偏振或正交圆偏振光偏振成像衍射光学器件构成的透射式偏振成像装置及其光路示意图；

图6是图5所示透射式偏振成像装置中，正交偏振光成像结果示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不限定本发明的保护范围。

为了更好地理解本发明，以下详细阐述本发明提出的一种基于超构表面的正交线偏振光成像衍射光学器件的应用实例。

本发明提出的一种基于超构表面的正交线偏振光成像衍射光学器件，该正交线偏振光成像衍射光学器件由衬底(102，202)和以阵列形式布设于衬底(102，202)表面的若干个亚波长光学天线阵列(101，201)组成。亚波长光学天线阵列中各光学天线的高度均在亚波长范围内，且均采用高折射率(折射率>2)的介质材料制成，包含硅、氮化硅、二氧化钛、磷化镓、氮化镓、砷化镓等。

所述亚波长光学天线阵列为二维阵列，分别以平行于亚波长光学天线阵列行和列的方向作为x轴和y轴，并以右手定则建立坐标系xyz，各光学天线沿xy平面的横截面形状可以为椭圆形、长方形或其它任意具有C₂对称性的形状(本实施例采用矩形)。二维阵列中的各光学天线可以设计长宽对正交线偏振光施加传输相位，或者设计长宽及旋转角度对正交圆偏振光同时施加传输相位和几何相位，各光学天线的长度和宽度中的较大者均分别为工作波长的1/20至1/2。参见图1、图2，分别为正交线偏振光偏振成像二维亚波长光栅阵列的主视图和俯视图；参见图3，为正交圆偏振光偏振成像二维亚波长光栅阵列的俯视图。

本正交偏振光成像衍射光学器件为透射式，衬底(102，202)可以选择熔融玻璃、石英等透明(透射率>80％)基底。

进一步地，对于如图1、图2所示，透射式正交线偏振光成像衍射光学器件(由二维亚波长非晶硅天线101和熔融玻璃基底102组成，亚波长天线101均为矩形，各亚波长光学天线尺寸按照以下步骤确定：

1)根据工作波长λ，利用时域有限差分或严格耦合波分析等方法，计算单个光学天线在不同高度、中心距、长度和宽度的情况下，对正交线偏振入射光(本实例为X线偏振光和Y线偏振光)的相位和透过率的调制情况；令相邻两光学天线的中心距和各光学天线的高度均保持不变，其中，各光学天线的高度相等，相邻两光学天线的中心距均相等且不超过工作波长的一半，(得出单个天线对正交线偏振入射光相位的调制量与该天线的长度L和宽度W之间的定量关系，以及该天线长度L和宽度W对天线透过率的影响)筛选出满足：透过率接近于1、正交线偏振入射光相位调制范围为[0,2π]条件的所有光学天线的长度和宽度范围，并存为数据库。本实施例中，确定工作波长为800纳米，固定硅柱天线的高度为600纳米，中心距为400纳米，确定天线的长度、宽度均分别为100～340纳米。如图4所示，单个天线对X线偏振入射光相位的调制量和透射率与该天线的长度L和宽度W关系，分别如图4(a)和4(b)所示；单个天线对Y线偏振入射光相位的调制量和透射率与该天线的长度L和宽度W关系，分别如图4(c)和4(d)所示，相位调制范围可以包含0～2π内的所有取值，且透过率接近于1。

2)利用N阶(N可为6～10阶)线性相位划分[0,2π]范围，优选利用8阶线性相位划分[0,2π]范围为0、45、90、135、180、225、270、315度，则将X线偏振光0度对应Y线偏振光0、45、90、135、180、225、270、315度，X线偏振光45度对应Y线偏振光0、45、90、135、180、225、270、315度，依次类推到X线偏振光的315度，共64个相位对应关系作为相位基(如图4中所示黑色圆点)。在设定误差±360/N范围内遍历数据库中各数据以查找满足上述相位基要求的光学天线尺寸，然后利用光学天线实际相位与对应相位基中相位的最小方差确定各最优相位基及最优相位基对应的光学天线尺寸，以此构建相位基光学天线尺寸对应表。

本实施例根据优化结果，确定的相位基光学天线尺寸对应表如下：

3)根据本衍射光学器件的工作波长λ、焦距f、直径D、偏折角度θ要求，利用以下公式确定本衍射光学器件直径范围内任意(x,y)坐标处的亚波长光学天线的正交偏振光目标相位

和

其中，λ、f、θ均为已知值；-D/2≤x≤D/2,-D/2≤y≤D/2，D为本衍射光学器件中天线阵列的直径。本实施例中采用焦距f为100微米，天线阵列D直径10微米，θ偏折角度8度计算。

将

和

转换为角度值后模除以360，用得到的值分别更新

和

然后按照±360/N误差范围将更新后的

和

转换为N阶相位基的值。

4)在步骤2)构建的相位基光学天线尺寸对应表中查找与步骤3)计算的各(x,y)坐标处亚波长光学天线的更新后正交偏振光目标相位对应的最优相位基，并根据该最优相位基确定(x,y)坐标处的光学天线尺寸。

由本发明的正交偏振光成像衍射光学器件构成的透射式偏振成像装置如图5所示，包含基于超构表面的正交偏振光成像衍射光学器件(501)、近红外传感器(502)。

上述透射式偏振成像装置的正交偏振光成像示意图如图6所示，X线偏振光分量聚焦在近红外传感器502的位置601处，Y线偏振光分量聚焦在近红外传感器502的位置602处，聚焦效率为56％，突破了目前使用宏结构偏振成像器件的50％阈值限制。

在如图3所示的本发明另一实施例中，用于正交圆偏振光成像衍射光学器件的各光学天线分布的确定方式如下：

1)根据工作波长λ，利用时域有限差分或严格耦合波分析方法，计算单个光学天线在不同高度、中心距、长度和宽度的情况下，对正交X线偏振和Y线偏振入射光的相位和透过率的调制情况；令相邻两光学天线的中心距和各光学天线的高度均保持不变，筛选出满足：透过率接近于1、正交线偏振入射光相位调制范围为[0,2π]条件的光学天线的长度、宽度范围。

2)根据步骤1)中采用的X和Y线偏振光相位计算得到左/(表示“和”与“或”)右旋圆偏振光入射时出射右/左旋圆偏振光相位、透射率和转换效率分布，筛选满足[0,2π]相位分布的最高透射率和转换效率点，以此构成最优点集合。

3)利用N阶线性相位均分0-360度相位，本实例采用N＝8阶线性相位划分360度范围为0、45、90、135、180、225、270、315度作为相位基，在设定误差±360/N范围内遍历数据库中各数据以查找满足上述相位基要求的光学天线尺寸，利用步骤2)得到的最优点集合的出射左/右旋圆偏振光相位与上述相位基的最小方差确定各最优相位基及最优相位基对应的最优光学天线尺寸，以此构建相位基光学天线尺寸对应表。

4)根据本衍射光学器件的工作波长λ、焦距f、直径D、偏折角度θ要求，利用以下公式确定本衍射光学器件直径范围内(x,y)坐标处的亚波长光学天线的正交圆偏振光目标相位

和

其中，λ、f、θ均为已知值，取值同图2所示实施例；-D/2≤x≤D/2,-D/2≤y≤D/2，D取本衍射光学器件中天线阵列的直径。

将

和

转换为角度值后模除以360，用得到的值分别更新

和

然后按照±360/N误差范围将更新后的

和

转换为N阶相位基的值。

5)根据如下公式计算本衍射光学器件直径范围内(x,y)坐标处亚波长光学天线的传输相位TP和几何相位GP：

6)在步骤3)构建的相位基天线尺寸对应表中查找与步骤5)计算的各(x,y)坐标处亚波长光学天线的传输相位TP对应的相位基，根据该相位基确定(x,y)坐标处的光学天线尺寸，并将光学天线旋转GP/2度。

本实施例构成的透射式偏振成像装置的成像原理及效果同实施例1，此处不再赘述。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种基于超构表面的正交偏振光成像衍射光学器件，用于对正交线偏振光施加传输相位，其特征在于，由衬底和以阵列形式布设于所述衬底表面的亚波长光学天线组成；亚波长光学天线阵列为二维阵列，分别以平行于亚波长光学天线阵列行和列的方向作为x轴和y轴；各光学天线沿xy平面的横截面形状均具有C₂对称性，各光学天线的长度和宽度均分别为工作波长的1/20至1/2，各光学天线的高度均相等、均在亚波长范围内，相邻两光学天线的中心距均相等、且不超过工作波长的一半；

所述二维阵列中各光学天线的分布按照以下步骤确定：

1)根据工作波长λ，利用时域有限差分或严格耦合波分析方法，计算单个光学天线在不同高度、中心距、长度和宽度的情况下，对正交X线偏振和Y线偏振入射光的相位和透过率的调制情况；令相邻两光学天线的中心距和各光学天线的高度均保持不变，筛选出满足：透过率接近于1、正交线偏振入射光相位调制范围为[0,2π]条件的所有光学天线的长度、宽度范围，并存为数据库；

2)利用N阶线性相位均分0-360度相位，N取6～10，将N个X线偏振光与N个Y线偏正光相对应得到的N²个相位对应关系作为相位基；在设定误差±360/N范围内遍历数据库中各数据以查找满足上述相位基要求的光学天线尺寸，然后利用光学天线实际相位与对应相位基中相位的最小方差确定各最优相位基及最优相位基对应的光学天线尺寸，以此构建相位基光学天线尺寸对应表；

3)根据所述正交偏振光成像衍射光学器件的工作波长λ、焦距f、偏折角度θ和所述正交偏振光成像衍射光学器件中天线阵列的直径D要求，利用以下公式确定该正交偏振光成像衍射光学器件直径范围内任意(x,y)坐标处的光学天线的正交偏振光目标相位

和

其中，-D/2≤x≤D/2,-D/2≤y≤D/2；

将

和

转换为角度值后模除以360，用得到的值分别更新

和

然后按照±360/N误差范围将更新后的

和

转换为N阶相位基的值；

4)在步骤2)构建的相位基光学天线尺寸对应表中查找与步骤3)计算的各(x,y)坐标处光学天线的更新后正交线偏振光目标相位对应的最优相位基，并根据该最优相位基确定(x,y)坐标处的光学天线尺寸。

2.根据权利要求1所述的正交偏振光成像衍射光学器件，其特征在于，所述亚波长光学天线阵列中各光学天线均采用折射率>2的介质制成，包括硅、氮化硅、二氧化钛、磷化镓、氮化镓和砷化镓。

3.根据权利要求1所述的正交偏振光成像衍射光学器件，其特征在于，所述衬底选择透明基底。

4.一种基于超构表面的正交偏振光成像衍射光学器件，用于对正交圆偏振光同时施加传输相位和几何相位，其特征在于，由衬底和以阵列形式布设于所述衬底表面的亚波长光学天线组成；亚波长光学天线阵列为二维阵列，分别以平行于亚波长光学天线阵列行和列的方向作为x轴和y轴；各光学天线沿xy平面的横截面形状均具有C₂对称性，各光学天线的长度和宽度均分别为工作波长的1/20至1/2，各光学天线的高度均相等、均在亚波长范围内，相邻两光学天线的中心距均相等、且不超过工作波长的一半；

所述二维阵列所述二维阵列中各光学天线的分布按照以下步骤确定：

1)根据工作波长λ，利用时域有限差分或严格耦合波分析方法，计算单个光学天线在不同高度、中心距、长度和宽度的情况下，对正交X线偏振和Y线偏振入射光的相位和透过率的调制情况；令相邻两光学天线的中心距和各光学天线的高度均保持不变，筛选出满足：透过率接近于1、正交线偏振入射光相位调制范围为[0,2π]条件的所有光学天线的长度、宽度范围，并存为数据库；

2)根据步骤1)中采用的X线偏振和Y线偏振入射光相位计算得到左/右旋圆偏振光入射时出射右/左旋圆偏振光相位、透射率和转换效率分布，筛选满足[0,2π]相位分布的最高透射率和转换效率点，以此构成最优点集合；

3)利用N阶线性相位均分0-360度相位，N取6～10，将N个值作为相位基，在设定误差±360/N范围内遍历数据库中各数据以查找满足上述相位基要求的光学天线尺寸，利用步骤2)得到的最优点集合的出射左/右旋圆偏振光相位与上述相位基的最小方差确定各最优相位基及最优相位基对应的最优光学天线尺寸，以此构建相位基光学天线尺寸对应表；

4)根据所述正交偏振光成像衍射光学器件的工作波长λ、焦距f、偏折角度θ和所述正交偏振光成像衍射光学器件中天线阵列的直径D要求，利用以下公式确定该正交偏振光成像衍射光学器件直径范围内任意(x,y)坐标处的光学天线的正交偏振光目标相位

和

其中，-D/2≤x≤D/2,-D/2≤y≤D/2；

将

和

转换为角度值后模除以360，用得到的值分别更新

和

然后按照±360/N误差范围将更新后的

和

转换为N阶相位基的值；

5)根据如下公式计算所述正交偏振光成像衍射光学器件直径范围内(x,y)坐标处光学天线的传输相位TP和几何相位GP：

6)在步骤3)构建的相位基天线尺寸对应表中查找与步骤5)计算的各(x,y)坐标处光学天线的传输相位TP对应的相位基，根据该相位基确定(x,y)坐标处的光学天线尺寸，同时将光学天线旋转GP/2度。

5.根据权利要求4所述的正交偏振光成像衍射光学器件，其特征在于，所述亚波长光学天线阵列中各光学天线均采用折射率>2的介质制成，包括硅、氮化硅、二氧化钛、磷化镓、氮化镓和砷化镓。

6.根据权利要求4所述的正交偏振光成像衍射光学器件，其特征在于，所述衬底选择透明基底。

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