CN112083519A - 一种适用于无人机移动拍摄的双层超表面消彗差成像镜头 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适用于无人机移动拍摄的双层超表面消彗差成像镜头，所述镜头包括双合透镜，该双合透镜包括作为透镜基底的第一玻璃，分别设置于该玻璃上、下表面的用于会聚光的第一微纳非晶硅圆柱结构层和用于校正像差的第二微纳非晶硅圆柱结构层。本发明使用两面都有微纳非晶硅圆柱阵列的双合透镜，改善了曲面透镜的彗差情况。本发明使用具有微纳结构的透镜提高成像效率，尽可能缩小透镜的体积与重量，充分减小系统对无人机的负担。

Description

一种适用于无人机移动拍摄的双层超表面消彗差成像镜头
技术领域
本发明涉及微纳光学领域，特别涉及一种适用于无人机移动拍摄的双层超表面消彗差成像镜头。
背景技术
在无人机航拍领域，镜头的便携性和成像质量一直是不可避免的问题。无人机的优势在于其隐蔽性和空中的自由视角，而使用传统透镜在成本、成像质量和体积上就很难做出平衡。无人机在军事方面，需要具有足够的隐蔽性，这样就对无人机的体积具有要求，进一步就需要限制其搭载的成像系统的体积与重量；在民用航拍方面也需要平衡整体的价格与成像质量。
传统光学元件通过对镜片进行切割，研磨制造，再组合到一起形成透镜组。但是随着光学器件尺寸的缩小与轻量化，传统加工过程对精度的要求也会飞速提高，传统透镜在缩小体积的前提下还要具有足够的成像质量就意味着成本的水涨船高。
无人机航拍具有视野上的极大优势，而广角镜头能够充分利用这一优点。实际上在使用平面透镜且体积受到限制的情况下，广角镜头不可避免会接收大量带角度的入射光进行成像，进而出现色彗差影响成像质量，从而限制了广角镜头的发展；而使用球面透镜则对技术上具有更大的要求，且更难在体积与成本上进行妥协。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术存在的问题，提供一种具有改善透镜的彗差、体积小、重量轻、成本低等特点的适用于无人机移动拍摄的双层超表面消彗差成像镜头。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种适用于无人机移动拍摄的双层超表面消彗差成像镜头，所述镜头包括双合透镜，该双合透镜包括作为透镜基底的第一玻璃，分别设置于该玻璃上、下表面的用于会聚光的第一微纳非晶硅圆柱结构层和用于校正像差的第二微纳非晶硅圆柱结构层。
进一步地，所述镜头通过与第二微纳非晶硅圆柱结构层下侧贴合的第二玻璃与后端图像传感器相集成。
进一步地，所述第二玻璃与第一玻璃尺寸相同且同轴设置。
进一步地，所述透镜基底上、下表面的边缘均涂覆有抗反射层。
进一步地，所述双合透镜表面覆盖SU-8聚合物，用于填充微纳非晶硅圆柱间隙。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)使用的光学超透镜是在平面基底上排列微纳非晶硅圆柱以实现传统透镜功能的特殊透镜(双合透镜两面都有微纳非晶硅圆柱阵列)，能够以非常有限的体积实现复杂的传统透镜组的功能，其功能性主要依托于微纳非晶硅圆柱的排列结构，不同的排列结构能够实现不同的功能，且具有极大的拓展空间，同时改善了曲面透镜的彗差情况；2)在入射光带有一定入射角度的情况下，使用的双合超透镜仍能保持良好的聚焦情况；3)在保证以上两点能力的情况下使用具有微纳结构的透镜提高成像效率，尽可能缩小透镜系统的体积与重量，充分减小拍摄系统对无人机的负担，并且降低成本。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1为一个实施例中适用于无人机移动拍摄的双层超表面消彗差成像镜头结构示意图。
图2为一个实施例中超表面模型示意图，其中图(a)为汇聚层模型，图(b)为校正层模型。
图3为一个实施例中对单汇聚层进行仿真，获得的垂直入射时以20°入射角入射时的仿真结果图，其中图3(a)为单汇聚层工作时垂直入射的纵向结果，图3(b)为单汇聚层工作时垂直入射的横向结果，图3(c)为单汇聚层工作时20°入射角入射的纵向结果，图3(d)为单汇聚层工作时20°入射角入射的纵向结果。
图4为一个实施例中对校正层模型进行优化仿真，获得20°入射角时的仿真结果图，其中，图4(a)为单汇聚层工作20°入射角入射的纵向结果，图4(b)为两层共同工作20°入射角入射的纵向结果，图4(c)为单汇聚层工作时20°入射角入射的横向结果，图4(d)为两层共同工作20°入射角入射的横向结果。
图5为一个实施例中图4中横向结果的局部放大图，图(a)(b)分别为单汇聚层工作、两层共同工作的横向结果局部放大图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的首选实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。
需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示诸如上、下、左、右、前、后……，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态如附图所示下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
结合图1，在一个实施例中，提供了一种适用于无人机移动拍摄的双层超表面消彗差成像镜头，所述镜头包括双合透镜，该双合透镜包括作为透镜基底的第一玻璃L1，分别设置于该玻璃上、下表面的用于会聚光的第一微纳非晶硅圆柱结构层M1和用于校正像差的第二微纳非晶硅圆柱结构层M2。
这里，第一微纳非晶硅圆柱结构层M1在单独工作时，可以有效的实现透镜的光的汇聚功能，能够有效的会聚平行光，并在小角度的不平行光中仍能工作。第二微纳非晶硅圆柱结构层M2与第一微纳非晶硅圆柱结构层M1共同作用下，能够有效的将大角度的入射平行光仍会聚在一点，有效的校正了单面透镜成像时所造成的彗差影响。
常规透镜在入射光角度过大时很容易因为彗差而成像模糊，而这种超表面双合透镜在足够轻便的前提下，能够在更大的入射光角度下保证成像的清晰度。
这里优选地，所述透镜基底为1mm厚的熔融玻璃基板。
进一步地，在其中一个实施例中，所述透镜基底上、下表面的边缘均涂覆有抗反射层。
进一步地，在其中一个实施例中，所述双合透镜表面覆盖SU-8聚合物，用于填充微纳非晶硅圆柱间隙。
这里优选地，所述SU-8聚合物的厚度为2μm。
进一步地，在其中一个实施例中，所述微纳非晶硅圆柱结构层为不同直径的非晶硅纳米圆柱阵列。
这里优选地，所述非晶硅圆柱厚度为600nm。
进一步地，在其中一个实施例中，所述镜头通过与第二微纳非晶硅圆柱结构层M2下侧贴合的第二玻璃L2与后端图像传感器S1相集成。
这里优选地，所述第二玻璃L2与第一玻璃L1尺寸相同且同轴设置。
本发明适用于无人机移动拍摄的双层超表面消彗差成像镜头的制作过程为：先制作其中一面的微纳结构，清洁干净基底后，使用化学气相沉积技术，将5％的硅烷与氩气混合沉积，在基底的一面上，沉积600nm厚的氢化非晶硅层，然后开始制作表面的微纳结构。首先将约300nm厚的ZEP-520A电子束光刻胶涂在基板上，并在180℃下烘烤五分钟，然后在光刻胶上涂抹约60nm厚的水溶性光刻用抗静电剂aquaSAVE，使用电子束光刻在光刻胶上绘制出超表面图案。然后用水清洗掉抗静电剂，在光刻剂显影液ZED-N50中对光刻剂进行显影。接着将70nm厚的氧化铝沉积在光刻胶上，并在Remover PG溶剂中剥离光刻胶进行构图。然后将已经具有所需结构的氧化铝作为接下来干法蚀刻中对非晶硅层的保护膜，以得到需要的非晶硅结构。然后在SF6和C4F8等离子体的混合物中进行离子蚀刻，将非晶硅蚀刻出所需的结构。再把氧化铝层溶解在氢氧化铵和过氧化氢的80℃的1:1溶液中。将约2μm厚的SU-8聚合物涂抹在所做的具有结构的一面，在90℃下烘烤5分钟，再在200℃下烘烤30分钟使表面尽可能平滑，再暴露在紫外线下以200℃烘烤30分钟以固化，最后打磨切割确保表面光滑。另一面以同样的方法制作结构。
在一个实施例中，对本发明适用于无人机移动拍摄的双层超表面消彗差成像镜头进行仿真验证，流程如下：
1、设置超表面结构参数。设置参数为：中央二氧化硅玻璃层，直径40μm，厚度0.5μm；焦距30μm；模拟波长850nm；超表面单元圆柱，厚度0.6μm，晶格常数0.45μm。
其中，超表面单元圆柱以六边形阵列排列，会聚层的排列公式为：
Figure BDA0002646963680000041
式中，ρ为相位，f为系统焦距，λ为入射光波长；
校正层的公式为：
Figure BDA0002646963680000042
式中，an为系数，R为通光孔径。
结合校正层的相位矢高数据(如图2所示)，利用ZEMAX软件对校正层进行优化，通过射线追踪技术获得了组成双合透镜的两个超表面的相位轮廓。这里，优化系数an以最大程度减小入射角最大30°时的焦斑尺寸(均方根尺寸)，优化后的系数an如下表1所示：
表1优化后的系数an数据
Figure BDA0002646963680000051
2、建立超表面模型。根据上述公式以及参数，利用FDTD软件建立模型，汇聚层模型、校正层模型分别如图2(a)、(b)所示。
3、对建立好的模型进行仿真。首先对单汇聚层进行仿真，利用FDTD软件，对设置参数进行模型建立，在850nm光下进行仿真运行。设置仿真区，设置光线入射角度，获得垂直入射时，以20°入射角入射时的仿真结果，如图3所示，其中，图3a为单汇聚层工作时垂直入射的纵向结果，图3b为单汇聚层工作时垂直入射的横向结果，图3c为单汇聚层工作时20°入射角入射的纵向结果，图3d为单汇聚层工作时20°入射角入射的纵向结果。
利用优化得出的an系数建立校正层模型，再次仿真优化，获得20°入射角时的仿真结果如图4所示，其中，图4a为单汇聚层工作20°入射角入射的纵向结果，图4b为两层共同工作20°入射角入射的纵向结果，图4c为单汇聚层工作时20°入射角入射的横向结果，图4d为两层共同工作20°入射角入射的横向结果。
结合图5所示的局部放大图，对比单汇聚层工作和两层共同工作的横向结果，可以看出，在光线斜入射时，通过增加校正层，可以有效减少因入射光倾斜而造成得到彗差。
通过传统的无球差的超表面透镜的聚焦，在法向入射角逐渐增大时，会出现明显的彗差。通过ZEMAX的设计与优化，本发明使用两面都有微纳晶柱阵列的双合透镜，改善了曲面透镜的彗差情况。
本发明使用的光学超透镜是在基底上制作微纳非晶硅圆柱的二维阵列的特殊透镜，能够在亚波长空间分辨率下修改光学波前，并能够以复杂但是低成本的透镜系统实现传统透镜组的功能。在入射光带有一定入射角度的情况下，双合超透镜仍能保持良好的聚焦情况。因其设备体积更小，在医学上可制作人体内拍摄的微型透镜。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (8)

1.一种适用于无人机移动拍摄的双层超表面消彗差成像镜头，其特征在于，所述镜头包括双合透镜，该双合透镜包括作为透镜基底的第一玻璃(L1)，分别设置于该玻璃上、下表面的用于会聚光的第一微纳非晶硅圆柱结构层(M1)和用于校正像差的第二微纳非晶硅圆柱结构层(M2)。
2.根据权利要求1所述的适用于无人机移动拍摄的双层超表面消彗差成像镜头，其特征在于，所述镜头通过与第二微纳非晶硅圆柱结构层(M2)下侧贴合的第二玻璃(L2)与后端图像传感器(S1)相集成。
3.根据权利要求1或2所述的适用于无人机移动拍摄的双层超表面消彗差成像镜头，其特征在于，所述第二玻璃(L2)与第一玻璃(L1)尺寸相同且同轴设置。
4.根据权利要求1所述的适用于无人机移动拍摄的双层超表面消彗差成像镜头，其特征在于，所述透镜基底上、下表面的边缘均涂覆有抗反射层。
5.根据权利要求1所述的适用于无人机移动拍摄的双层超表面消彗差成像镜头，其特征在于，所述双合透镜表面覆盖SU-8聚合物，用于填充微纳非晶硅圆柱间隙。
6.根据权利要求5所述的适用于无人机移动拍摄的双层超表面消彗差成像镜头，其特征在于，所述SU-8聚合物的厚度为2μm。
7.根据权利要求1所述的适用于无人机移动拍摄的双层超表面消彗差成像镜头，其特征在于，所述微纳非晶硅圆柱厚度为600nm。
8.根据权利要求1所述的适用于无人机移动拍摄的双层超表面消彗差成像镜头，其特征在于，所述透镜基底为1mm厚的熔融玻璃基板。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112882133A (zh) * 2021-02-25 2021-06-01 南京理工大学 一种产生艾里光束的几何相位型超透镜
CN113608283A (zh) * 2021-07-30 2021-11-05 京东方科技集团股份有限公司 一种减反膜、显示装置
CN114764156A (zh) * 2021-01-11 2022-07-19 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 一种红外全介质正交柱面超透镜

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107360347A (zh) * 2016-05-09 2017-11-17 富港电子（东莞）有限公司 影像模组结构
CN110515215A (zh) * 2019-09-27 2019-11-29 深圳惠牛科技有限公司 一种超薄光学模组及超薄显示装置
CN111025435A (zh) * 2019-12-27 2020-04-17 中国兵器装备研究院 基于聚合物网络液晶的可变焦超透镜及制备方法

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107360347A (zh) * 2016-05-09 2017-11-17 富港电子（东莞）有限公司 影像模组结构
CN110515215A (zh) * 2019-09-27 2019-11-29 深圳惠牛科技有限公司 一种超薄光学模组及超薄显示装置
CN111025435A (zh) * 2019-12-27 2020-04-17 中国兵器装备研究院 基于聚合物网络液晶的可变焦超透镜及制备方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
BENEDIKT GROEVER等: "Meta-Lens Doublet in the Visible Region", 《NANO LETT.》 *

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114764156A (zh) * 2021-01-11 2022-07-19 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 一种红外全介质正交柱面超透镜
CN114764156B (zh) * 2021-01-11 2024-04-02 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 一种红外全介质正交柱面超透镜
CN112882133A (zh) * 2021-02-25 2021-06-01 南京理工大学 一种产生艾里光束的几何相位型超透镜
CN113608283A (zh) * 2021-07-30 2021-11-05 京东方科技集团股份有限公司 一种减反膜、显示装置
CN113608283B (zh) * 2021-07-30 2023-04-25 京东方科技集团股份有限公司 一种减反膜、显示装置

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