CN112558293A - 一种紧凑型共光路共焦红外双波段光学系统及其制作方法 - Google Patents

一种紧凑型共光路共焦红外双波段光学系统及其制作方法 Download PDF

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CN112558293A CN202011350345.1A CN202011350345A CN112558293A CN 112558293 A CN112558293 A CN 112558293A CN 202011350345 A CN202011350345 A CN 202011350345A CN 112558293 A CN112558293 A CN 112558293A
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王磊
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Abstract

本发明提供一种紧凑型共光路共焦红外双波段光学系统，包括沿光入射方向依次同轴设置的超表面透镜和探测器，超表面透镜由衬底和微纳结构超表面构成，不同的微纳结构具有相同的高度、指向角度和不同的横截面尺寸；各微纳结构的横截面尺寸基于微纳结构的参数空间和电磁波经过各微纳结构后的相位分布确定；相位分布根据超表面透镜的对双波段的消色差成像要求来确定；参数空间通过基于时域有限差分算法的电磁仿真手段对横截面尺寸进行参数扫描来建立。本发明还提供相应的制作方法。本发明的光学系统利用单片超表面透镜实现中波和长波红外双波段同时满足消色差成像要求，从而显著减小光学系统的体积和重量，降低加工成本和装调校准难度。

Description

一种紧凑型共光路共焦红外双波段光学系统及其制作方法
技术领域
本发明涉及双波段成像系统，具体涉及一种共光路共焦双波段光学系统及其制作方法。
背景技术
红外辐射有近红外、中红外、远红外三个大气窗口，针对各个大气窗口的单波段成像技术已发展成熟，并广泛应用于遥感成像和军事侦察中。然而，随着侦察和反侦察技术的升级以及高分辨遥感成像的要求不断提高，单波段红外成像技术由于获取信息量有限而难以满足上述需求，亟待发展双波段红外成像技术。
目前在双波段红外成像技术方面已有部分研究。双波段成像系统主要分为两类：一类是分光路系统，或部分共光路系统，即两个波段的光共主镜，而后分束，由两个响应不同波段的探测器分别接收；另一类是共光路系统，使用能响应两个波段的探测器来接收。
由于早期双波段红外探测器不成熟，双波段成像系统主要采用分光路系统(部分共光路系统)，使得系统体积大、重量大。随着双波段红外探测器的发展，双波段共光路系统得以发展，相较于分光路系统可减小部分体积和重量。
现有的双波段共光路系统通常采用多组透镜组合来解决像差色差等问题。
如图1所示，申请号为CN201210122634.5的专利文件公开了一种红外双波段共焦光学系统，所述系统包括：依次设置的具有正光焦度的第一透镜组G1、正光焦度的第二透镜组G2、负光焦度的第三透镜组G3和正光焦度的第四透镜组G4，所述第二透镜组G2为谐衍射元件，光学系统还包括一个光栏C1。所述红外双波段共焦光学系统的焦距为f，所述第一透镜组G1的焦距为f1，其中，0.25<f/f1<0.76。
如图2所示，申请号为CN201510873923.2的专利文件公开了一种双波段红外光学系统，包括沿光入射方向依次同轴设置的第一透镜101、第二透镜102、第三透镜103、光阑104、第四透镜105、第五透镜106、第六透镜107、平行平板109和探测器108；第一透镜101和第五透镜106为弯月负透镜，第二透镜102、第三透镜103和第四透镜105为弯月正透镜，第六透镜107为双凸正透镜；所述第三透镜103的后表面和第四透镜105的前表面为非球面，其余透镜表面均为球面；第一透镜101、第二透镜102的材料为锗，第三透镜103、第四透镜105、第六透镜107的材料为硫系玻璃，第五透镜106的材料为硒化锌。
综上，现有的双波段共光路系统使用多组透镜组合存在以下诸多不足之处：(1)透镜数量多使得系统装调校准难度大；(2)多组透镜有较多能量损耗、透过率低；(3)透镜数量多及装调复杂使得系统整体成本高(4)多组透镜组合使得系统体积大、重量大，无法满足军事装备和遥感卫星轻量化和小型化的要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种紧凑型共光路共焦红外双波段光学系统及其制作方法，以在中波和长波两个红外波段同时满足系统的消色差成像要求，实现红外双波段光学系统的共光路共焦面，并解决双波段光学系统的轻量化和小型化的问题。
为了实现以上目的，本发明提供一种紧凑型共光路共焦红外双波段光学系统，包括沿光入射方向依次同轴设置的超表面透镜和探测器，所述超表面透镜具有两个目标工作波段，超表面透镜由衬底和设于所述衬底的一侧表面上的微纳结构超表面构成，所述微纳结构超表面为微纳结构的阵列，不同的微纳结构具有相同的高度、相同的指向角度和不同的横截面尺寸；其中，各微纳结构的横截面尺寸基于微纳结构的参数空间和电磁波经过各微纳结构后的相位分布确定；电磁波经过各微纳结构后的相位分布根据超表面透镜的对双波段的消色差成像要求来确定，所述超表面透镜的对双波段的消色差成像要求是：对于目标工作波段中的不同波段的电磁波而言，超表面透镜的焦距相同；微纳结构的参数空间通过基于时域有限差分算法的电磁仿真手段对横截面尺寸进行参数扫描，得到电磁波经过微纳结构后获得的相位与微纳结构的横截面尺寸的对应关系，来建立。
对超表面透镜的任意一个位置r，目标工作波段中的不同波长λi的电磁波经过该微纳结构后获得的相位
Figure BDA0002801072470000031
与该位置该波长下的校正后的相位的差值等于或近似于2π的整数倍，等于或近似于2π的整数倍是指与2π的整数倍的差值绝对值小于π/2，目标工作波段中的每个波长λi下的校正后的相位分布为：
Figure BDA0002801072470000032
其中，r为超表面透镜上的空间位置坐标，λi为第i种电磁波的波长，f为超表面透镜的焦距，C(λi)为第i种电磁波的相位因子。
所述超表面透镜的目标工作波段为中波红外波段和长波红外波段，中波红外波段为4.0-4.8μm，长波红外波段为10-12μm，所述探测器为工作于中波红外波段和长波红外波段的双色探测器。
所述超表面透镜的厚度为百微米至毫米量级，微纳结构的厚度为十微米量级，微纳结构的高度H为λ2/2至2λ2，横截面尺寸D为0.1U至0.9U，且所述阵列的周期U为λ2/n至λ1，λ1为中波红外波段的中心波长，λ2为长波红外波段的中心波长，n为超表面透镜的材料的折射率。
所述阵列的构型是正方晶格阵列或三角晶格阵列，所述微纳结构是圆柱、方柱和椭圆柱。
所述超表面透镜的材料为硅或锗，超表面透镜的衬底和微纳结构超表面由同一个晶圆制作得到。
另一方面，本发明提供一种紧凑型共光路共焦红外双波段光学系统的制作方法，包括：
S1：设计一由衬底和设于所述衬底的一侧表面上的微纳结构超表面构成的超表面透镜，所述微纳结构超表面为微纳结构的阵列；确定微纳结构共同的高度和指向角度；随后根据双波段红外光学系统的目标工作波段，基于时域有限差分算法的电磁仿真手段，对微纳结构的横截面尺寸进行参数扫描，来建立微纳结构的参数空间，参数空间中包含了电磁波经过微纳结构后获得的相位与微纳结构的横截面尺寸的对应关系；
S2：根据双波段红外光学系统的需求确定超表面透镜的口径、焦距和两个目标工作波段，并给出超表面透镜的在不同波长下的理想相位分布；
S3：通过优化算法确定得到一组相位因子最优解C(λi)，使得对超表面透镜的任意一个位置r而言，都能够从微纳结构的参数空间中选出相应的微纳结构的参数以使目标工作波段中的不同波长λi的电磁波经过该微纳结构后获得的相位
Figure BDA0002801072470000041
与该位置该波长下的校正后的相位的差值等于或近似于0或2π的整数倍，等于或近似于2π的整数倍是指与2π的整数倍的差值绝对值小于π/2，从而得到满足超表面透镜的对双波段的消色差成像要求的电磁波经过各微纳结构后的相位分布；
校正后的相位分布为：
Figure BDA0002801072470000042
其中，r为超表面透镜上的空间位置坐标，λi为第i种电磁波的波长，f为超表面透镜的焦距，C(λi)为第i种电磁波的相位因子；
S4：基于所述步骤S1中的微纳结构的参数空间和所述步骤S3中的电磁波经过各微纳结构后的相位分布，进行匹配得到超表面透镜的各微纳结构的横截面尺寸设计值；
S5：根据超表面透镜的各微纳结构的横截面尺寸设计值制作超表面透镜，并沿光入射方向依次同轴设置所述超表面透镜和一探测器。
所述步骤S3包括：
S31：设置一群粒子，每个粒子对应一组相位因子C(λi)，对每个粒子，随机生成一组介于-2π到2π之间的常数作为待优化的C(λi)的初始值，代入校正后的相位分布的公式，并将校正后的相位分布
Figure BDA0002801072470000043
加减整数倍的2π后压缩入0到2π范围内，记为校正相位
Figure BDA0002801072470000044
对于超表面透镜上的每个位置r，对参数空间中的每个微纳结构，分别计算各波长λi的电磁波通过该微纳结构后的相位
Figure BDA0002801072470000045
与该位置该波长下的校正相位
Figure BDA0002801072470000046
的差值的绝对值
Figure BDA0002801072470000051
N表示该微纳结构的参数在参数空间中的序号，将
Figure BDA0002801072470000052
对所有波长求和得到电磁波经过该微纳结构后的相位与校正相位的总相位差
Figure BDA0002801072470000053
找到使得总相位差
Figure BDA0002801072470000054
最小的这个微纳结构参数N作为超表面透镜在位置r处的微纳结构的参数的设计值，并得到该总相位差的最小值
Figure BDA0002801072470000055
随后对超表面透镜上的每个位置r，均进行上述操作，得到每个位置的总相位差的最小值
Figure BDA0002801072470000056
对所有位置
Figure BDA0002801072470000057
求和得到整个超表面透镜对所有波长所有位置的汇总相位差，作为粒子群算法中的适应度值
Figure BDA0002801072470000058
随后，对于这一群粒子，每个粒子对应一个适应度值
Figure BDA0002801072470000059
从所有适应度值
Figure BDA00028010724700000510
中选取的最小值即为这一群粒子的当前的最佳适应度值
Figure BDA00028010724700000511
最佳适应度值
Figure BDA00028010724700000512
对应的相位因子C(λi)即为当前的相位因子最优解Cbest(λi)；
S32：进行一轮迭代，对粒子群中每个粒子的C(λi)上分别加上一改变值，以改变后的相位因子最优解C(λi)重复步骤S31，得到该代的最佳适应度值
Figure BDA00028010724700000513
以及相应的最优解Cbest(λi)。将该最佳适应度值与历史最优适应度值进行比较，如果该代的最佳适应度值更大，则保留历史最优适应度值及相应的相位因子最优解，如果该代的最佳适应度值更小，则以此作为新的历史最优适应度值，其对应的Cbest(λi)作为新的相位因子的历史最优解；
S33：重复步骤S32数十次至数百次，以得到总的最佳适应度值和相位因子最优解C(λi)，并根据相位因子最优解C(λi)得到校正后的相位分布，作为满足超表面透镜的对双波段的消色差成像要求的电磁波经过各微纳结构后的相位分布。
在所述步骤S5中，超表面透镜的衬底和微纳结构超表面由同一个硅或锗材质的晶圆制作得到的。
在所述步骤S5中，制作超表面透镜，包括：
S511：对晶圆进行热氧化，生成氧化层；
S512：在氧化层上旋涂光刻胶；
S513：进行电子束曝光，通过调节曝光剂量使得曝光得到的不可溶光刻胶(2031)的横截面尺寸与超表面透镜的各微纳结构的横截面尺寸设计值相同，光刻胶的其余部分为可溶光刻胶(2032)；
S514：进行显影以溶解可溶光刻胶(2032)；
S521：通过反应离子刻蚀技术对氧化层进行刻蚀，形成硬掩模；
S522：通过深硅刻蚀技术对晶圆进行刻蚀，通过调节刻蚀气体和刻蚀速率参数，精确地刻蚀出设计的刻蚀深度，得到超表面透镜的衬底和微纳结构超表面。
本发明的紧凑型共光路共焦红外双波段光学系统，摒弃了传统的共光路双波段光学系统中的多个透镜组合的方案，利用单片的超表面透镜实现中波和长波红外双波段同时满足系统的消色差成像要求，其中超表面透镜的厚度仅百微米至毫米量级，从而显著减小光学系统的体积和重量，降低加工成本，减小装调校准难度，解决双波段光学系统轻量化和小型化的问题。
附图说明
图1是申请号为CN201210122634.5的专利文件的光学系统的结构示意图。
图2是申请号为CN201510873923.2的专利文件的光学系统的结构示意图。
图3是根据本发明的一个实施例的紧凑型共光路共焦红外双波段光学系统的整体结构示意图。
图4是本发明的紧凑型共光路共焦红外双波段光学系统的超表面透镜的俯视示意图及局部放大图。
图5是本发明的紧凑型共光路共焦红外双波段光学系统的超表面透镜的单个微纳结构的俯视示意图。
图6是本发明的紧凑型共光路共焦红外双波段光学系统的超表面透镜的单个微纳结构的侧视示意图。
图7是根据本发明的一个实施例的中波红外波段的电磁波经超表面透镜后在光轴所在平面内的场分布图。
图8是根据本发明的一个实施例的长波红外波段的电磁波经超表面透镜后在光轴所在平面内的场分布图。
图9(a)-图9(f)是本发明的紧凑型共光路共焦红外双波段光学系统的超表面透镜的制作流程图。
具体实施方式
以下结合具体实施例，对本发明做进一步说明。应理解，以下实施例仅用于说明本发明而非用于限制本发明的范围。
如图3所示为根据本发明的一个实施例的紧凑型共光路共焦红外双波段光学系统，包括沿光入射方向(从物方到像方)依次同轴设置的超表面透镜和探测器3。在本实施例中，超表面透镜的目标工作波段为：中波4.0-4.8μm，长波10-12μm。超表面透镜的口径为500μm，焦距为500μm。口径和焦距均可在十微米、百微米、毫米、厘米量级。
所述超表面透镜的厚度为百微米至毫米量级。所述超表面透镜的材料为在中波红外和长波红外都具有高折射率和低吸收系数的材料，如硅或锗。硅在中波红外波段的折射率为3.43，吸收系数为10-7到10-9量级范围；硅在长波红外波段的折射率为3.42，吸收系数为10-4到10-5量级范围。锗在中波红外波段的折射率为4.02到4.04范围，吸收系数为10-7量级；锗在长波红外波段的折射率为4.00，吸收系数为10-5量级。
超表面透镜具有两个目标工作波段，超表面透镜由衬底1和设于所述衬底1的一侧表面上的微纳结构超表面2构成，超表面透镜的衬底1和微纳结构超表面2由同一个晶圆制作得到。其中，由于衬底1和微纳结构超表面2是采用在硅晶圆或锗晶圆上进行刻蚀的加工工艺来形成，因此衬底1和微纳结构超表面2的材质相同。微纳结构超表面2既可设置于衬底1的背对光入射方向的一面上，也可设置于衬底1的正对光入射方向的一面上。所述探测器3为工作于中波红外波段和长波红外波段的双色探测器。
所述超表面透镜的结构和原理为：如图4所示，超表面透镜的微纳结构超表面2由微纳结构21的二维排布的阵列组成。阵列的构型可以是正方晶格阵列或三角晶格阵列。
如图5、图6所示，阵列的周期U可取λ2/n至λ1，λ1为中波红外波段的中心波长，λ2为长波红外波段的中心波长，n是超表面透镜的材料(硅或锗)的折射率。周期U需满足大于材料中的波长λ/n且小于真空波长λ，且在中波红外和长波红外都需要满足上述要求，即λ1/n<U<λ1且λ2/n<U<λ2，由于λ2>λ1,λ2/n>λ1/n，综合起来就是λ2/n<U<λ1，由此带来的有益效果为：周期U大于材料中的波长可激发导模共振、从而引起相位异常、有利于消除不同波段的相位关联性、从而实现双波段消色差，周期U小于真空波长可抑制高阶衍射。
微纳结构21可以是圆柱、方柱和椭圆柱。在本实施例中，如图5和图6所示，所述微纳结构21的构型为圆柱。
各微纳结构21具有相同的高度和指向角度，以及不同的横截面尺寸(横截面尺寸D可以是圆的直径、方形的边长或椭圆的长短轴)，微纳结构21的高度H可取λ2/2至2λ2，横截面尺寸D可取0.1U至0.9U，其中，λ2为长波红外波段的中心波长，U为周期。微纳结构21的厚度为十微米量级。
由于各微纳结构21的横截面尺寸不同，使得等效折射率不同，从而使得电磁波经过各单元的微纳结构后获得不同的相位。超表面透镜的各微纳结构21的横截面尺寸基于微纳结构21的参数空间和电磁波经过各微纳结构21后的相位分布确定；电磁波经过各微纳结构21后的相位分布可根据超表面透镜的对双波段的消色差成像要求来确定；参数空间通过基于时域有限差分算法的电磁仿真手段对横截面尺寸进行参数扫描，得到电磁波经过微纳结构21后获得的相位与微纳结构21的横截面尺寸的对应关系，来建立。
其中，超表面透镜的对双波段的消色差成像要求是：对于目标工作波段中的不同波段的电磁波而言，超表面透镜的焦距相同。在本发明中，为了满足超表面透镜的对双波段的消色差成像要求，使得同波段的电磁波的焦距相同，超表面透镜的相位分布不是单一波长下的相位分布，而是综合考虑所有波长下的相位来确定的。
在本发明中，为了使得超表面透镜在不同波段的电磁波下的焦距相同，目标工作波段中的每个波长λi下的相位分布需要经过校正，对于超表面透镜上的每一个位置r，目标工作波段中的不同波长λi的电磁波经过该微纳结构21后获得的相位
Figure BDA0002801072470000081
与该位置该波长下的校正后的相位的差值等于或近似于2π的整数倍(其中0也是2π的整数倍)，其中，根据瑞利判据，实际波面和理想波面之间的最大波像差不超过λ/4时，此波面可看作是无缺陷的；并且若缺陷部分在整个波面面积中所占比重较小，即使波像差大于λ/4，这些局部缺陷仍旧可以被忽略，因此，这里的“等于或近似于”2π的整数倍，指的是与2π的整数倍的差值绝对值小于π/2。下文其余部分的“等于或近似于”的含义均与此处相同。
目标工作波段中的每个波长λi下的校正后的相位分布为：
Figure BDA0002801072470000091
其中，r为超表面透镜上的空间位置坐标，λi为第i种电磁波的波长，f为超表面透镜的焦距，C(λi)为第i种电磁波的相位因子。
相位因子C(λi)仅与电磁波的波长λi有关，即对于同个波长λi而言，在超表面透镜上的所有空间位置坐标r都附加同一个相位因子。因此，对每种波长λi不变的电磁波来说，该相位因子C(λi)是一个常数，这个常数是经过优化算法计算得到的。
由此，校正后的相位分布
Figure BDA0002801072470000092
能满足不同波长λi的电磁波会聚在同个焦平面处的要求，从而选取合适尺寸的微纳结构置于超表面透镜各单元，使其能同时满足不同波长的相位分布要求。
由此，本发明基于超表面透镜和双色探测器设计共光路共焦红外双波段光学系统，摒弃了传统的共光路双波段光学系统中的多个透镜组合的方案，利用单片超表面透镜实现中波和长波红外双波段消色差成像，其中超表面透镜的厚度仅百微米至毫米量级，从而显著减小光学系统的体积和重量，降低加工成本，减小装调校准难度。
根据本发明的一个实施例，基于上文所述的紧凑型共光路共焦红外双波段光学系统，所实现的紧凑型共光路共焦红外双波段光学系统的制作方法，具体包括以下步骤：
步骤S1：设计一由衬底1和设于所述衬底1的一侧表面上的微纳结构超表面2构成的超表面透镜，所述微纳结构超表面2为微纳结构21的阵列；确定超表面透镜的微纳结构21共同的高度和指向角度，以使得各微纳结构21具有相同的高度和指向角度；随后根据双波段红外光学系统的目标工作波段，基于时域有限差分算法的电磁仿真手段，对微纳结构21的横截面尺寸进行参数扫描，来建立微纳结构21的参数空间，参数空间中包含了电磁波经过微纳结构21后获得的相位与微纳结构21的横截面尺寸的对应关系。由此，参数空间包含了很大的相位响应范围。
步骤S2：根据双波段红外光学系统的需求确定超表面透镜的口径、焦距和两个目标工作波段，并给出超表面透镜的在不同波长下的理想相位分布；
在本实施例中，超表面透镜的目标工作波段为：中波4.0-4.8μm，长波10-12μm，超表面透镜的焦距为500μm，超表面透镜的口径为500μm。
其中，对于超表面透镜上的每一个位置r，目标工作波段中的不同波长λi的电磁波经过该微纳结构21后获得的相位
Figure BDA0002801072470000101
与该位置该波长下的校正后的相位的差值等于或近似于0或2π的整数倍(即与2π的整数倍的差值绝对值小于π/2)，超表面透镜的理想相位分布满足球面透镜的理想相位分布，为：
Figure BDA0002801072470000102
其中r为超表面透镜上的空间位置坐标，λ为工作波长，f为超表面透镜的焦距。此时，球差可自动获得校正，可使正入射平面电磁波发生会聚形成焦斑。针对不同的波长，存在多种不同的超表面透镜的理想相位分布。
对于不同波长λi(i＝1,2,…,N，其中假设目标工作波段被拆分为N个分立波长)的电磁波，使其会聚在同个焦平面处所需的理想相位分布
Figure BDA0002801072470000103
不同，因此可在理想相位分布中额外附加一项相位因子C(λi)，以形成校正后的相位分布。
步骤S3：根据超表面透镜的对双波段的消色差成像要求并通过优化算法来得到各个波长的电磁波经过各微纳结构21后的相位分布，即，通过优化算法确定得到对应于目标工作波段中的不同波长λi的电磁波的一组相位因子最优解C(λi)，使得对超表面透镜的任意一个位置r而言，都能够从微纳结构21的参数空间中选出相应的微纳结构21的参数(即微纳结构21的横截面尺寸D)以使目标工作波段中的不同波长λi的电磁波经过该微纳结构21后获得的相位
Figure BDA0002801072470000104
与该位置该波长下的校正后的相位的差值等于或近似于0或2π的整数倍(即与2π的整数倍的差值绝对值小于π/2)，从而得到满足超表面透镜的对双波段的消色差成像要求的电磁波经过各微纳结构21后的相位分布；
其中，相位差值为2π的整数倍视为相同，因为exp(i*2π)＝1，在电磁波进行复场叠加时，相位相差2π的整数倍的电磁波是完全相干相长的。
目标工作波段中的每个波长λi下的校正后的相位分布为：
Figure BDA0002801072470000111
其中，r为超表面透镜上的空间位置坐标，λi为第i种电磁波的波长，f为超表面透镜的焦距，C(λi)为第i种电磁波的相位因子。
相位因子C(λi)仅与电磁波的波长λi有关，即对于同个波长λi而言，在超表面透镜上的所有空间位置坐标r都附加同一个相位因子。因此，对每种波长λi不变的电磁波来说，该相位因子C(λi)是一个常数，这个常数是经过优化算法计算得到的。
由此，校正后的相位分布
Figure BDA0002801072470000112
能满足不同波长λi的电磁波会聚在同个焦平面处的要求，从而选取合适尺寸的微纳结构置于超表面透镜各单元，使其能同时满足不同波长的相位分布要求。
在所述步骤S3中，相位因子最优解通过粒子群算法或遗传算法进行优化得到。所述步骤S3具体包括以下步骤：
步骤S31：以粒子群算法为例，假设有一群粒子，每个粒子对应一组相位因子C(λi)，对每个粒子，随机生成一组介于-2π到2π之间的常数作为待优化的C(λi)的初始值，代入校正后的相位分布的公式
Figure BDA0002801072470000113
并将校正后的相位分布
Figure BDA0002801072470000114
加减整数倍的2π后压缩入0到2π范围内，记为校正相位
Figure BDA0002801072470000115
对超表面透镜上的每个位置r，对参数空间中的每个微纳结构21，分别计算各波长λi的电磁波通过该微纳结构21后的相位
Figure BDA0002801072470000116
与该位置该波长下的校正相位
Figure BDA0002801072470000117
的差值的绝对值
Figure BDA0002801072470000118
N表示该微纳结构21的参数在参数空间中的序号，将
Figure BDA0002801072470000119
对所有波长求和得到电磁波经过该微纳结构21后的相位与校正相位的总相位差
Figure BDA00028010724700001110
找到使得总相位差
Figure BDA00028010724700001111
最小的这个微纳结构参数N作为超表面透镜在位置r处的微纳结构21的参数(即微纳结构21的横截面尺寸)的设计值，并得到该总相位差的最小值
Figure BDA00028010724700001112
随后对超表面透镜上的每个位置r，均进行上述操作，得到每个位置的总相位差的最小值
Figure BDA00028010724700001113
对所有位置
Figure BDA00028010724700001114
求和得到整个超表面透镜对所有波长所有位置的汇总相位差，作为粒子群算法中的适应度值
Figure BDA00028010724700001115
随后，对于这一群粒子，每个粒子对应一个适应度值
Figure BDA00028010724700001116
从所有适应度值
Figure BDA00028010724700001117
中选取的最小值即为这一群粒子的当前的最佳适应度值
Figure BDA0002801072470000121
最佳适应度值
Figure BDA0002801072470000122
对应的相位因子C(λi)即为当前的相位因子最优解Cbest(λi)(即最佳的相位因子)。
Figure BDA0002801072470000123
应不超过1/4*2π*波长数*超透镜上的微纳结构数，即平均到每种波长每个微纳结构(或每个位置)，
Figure BDA0002801072470000124
与
Figure BDA0002801072470000125
的差值不超过1/4*2π，一般经优化后
Figure BDA0002801072470000126
与
Figure BDA0002801072470000127
的平均差值可低至0.05-0.1*2π。由此，使得目标工作波段中的不同波长λi的电磁波经过该微纳结构(21)后获得的相位
Figure BDA0002801072470000128
与该位置该波长下的校正后的相位的差值等于或近似于0或2π的整数倍(即与2π的整数倍的差值绝对值小于π/2)。
步骤S32：进行一轮迭代，即对粒子群中每个粒子的C(λi)上分别加上一改变值(改变值既包含随机部分、也包含与该粒子的历史的相位因子最优解C(λi)的相关部分、也包含与所有粒子群历史的相位因子最优解C(λi)相关部分)，以改变后的相位因子最优解C(λi)重复步骤S31，得到该代的最佳适应度值
Figure BDA0002801072470000129
以及相应的相位因子最优解Cbest(λi)。将该最佳适应度值与历史最优适应度值进行比较，如果该代的最佳适应度值更大，则保留历史最优适应度值及相应最优解，如果该代的最佳适应度值更小，则以此作为新的历史最优适应度值，其对应的Cbest(λi)作为新的相位因子的历史最优解。
步骤S33：重复步骤S32数十次至数百次，以得到总的最佳适应度值和相位因子最优解C(λi)，并根据相位因子最优解C(λi)得到校正后的相位分布
Figure BDA00028010724700001210
作为最终确定的满足超表面透镜的对双波段的消色差成像要求的电磁波经过各微纳结构21后的相位分布。
由此，在得到相位因子C(λi)后，尽管校正后的相位分布
Figure BDA00028010724700001211
在不同波长λi的电磁波下分布是不同的，但是，在超表面透镜上每个位置r能选出一个合适的微纳结构21，各波长λi的电磁波经过该微纳结构后获得的相位
Figure BDA00028010724700001212
与该位置该波长下的校正相位
Figure BDA00028010724700001213
的差值等于或近似于0或2π的整数倍(即与2π的整数倍的差值绝对值小于π/2)。焦点形成的物理机制是：经过透镜各位置的同频(同波长)电磁波后传播至某位置发生相干相长，即形成了焦点，而发生相干相长的条件是电磁波的相位相同(或者相位相差2π的整数倍，即视为相同)。在本设计中，对于其中任意一个波长λi的电磁波，电磁波经过超表面透镜上不同位置后的相位为
Figure BDA0002801072470000131
而后在自由空间中传播至焦点的过程中其传播相位为
Figure BDA0002801072470000132
则在焦点处的相位为
Figure BDA0002801072470000133
即对于波长λi而言，超表面透镜上不同位置的电磁波到达焦点位置(沿光轴方向上距离超表面透镜f处)时，其相位都是相同的，则发生相干叠加时是相干相长，即形成了焦点；各波长λi都是在光轴方向上距离超表面透镜f处形成焦点，也就是消色差。
步骤S4：基于所述步骤S1中的微纳结构21的参数空间和所述步骤S3中的电磁波经过各微纳结构21后的相位分布，进行匹配得到超表面透镜的各微纳结构21的横截面尺寸设计值。
具体匹配步骤为：将校正后的相位分布
Figure BDA0002801072470000134
加减整数倍2π后压缩入0到2π范围内，记为校正相位
Figure BDA0002801072470000135
对超表面透镜上每个位置r，对参数空间中的每个微纳结构21，分别计算各波长λi的电磁波通过该微纳结构21后的相位
Figure BDA0002801072470000136
与该位置该波长下的校正相位
Figure BDA0002801072470000137
的相位差的绝对值
Figure BDA0002801072470000138
N表示该微纳结参数在参数空间中的序号，将
Figure BDA0002801072470000139
对所有波长求和得到电磁波经过该微纳结构21后的相位与校正相位的总相位差
Figure BDA00028010724700001310
找到使得总相位差
Figure BDA00028010724700001311
最小的这个微纳结构参数N作为超表面透镜位置r处的微纳结构参数的设计值。
此外，还包括步骤S5：根据超表面透镜的各微纳结构21的横截面尺寸设计值制作超表面透镜，并沿光入射方向依次同轴设置所述超表面透镜和一探测器3，以形成紧凑型共光路共焦红外双波段光学系统。其中，探测器3设置于所述超表面透镜的焦平面上。
如图9(a)-图9(f)所示，超表面透镜的衬底1和微纳结构超表面2由同一个硅或锗材质的晶圆制作得到的。制作超表面透镜，具体包括：
步骤S51：在硅晶圆上进行光刻工艺，以实现待刻蚀的微纳结构图形的转移；其中，硅晶圆的厚度为500μm至2mm。因此，相应制作的超表面透镜厚度仅百微米至毫米量级。
步骤S51分为以下几步：
步骤S511：如图9(b)所示，对晶圆201进行热氧化，生成氧化层202用于后续作为硬掩模；在本实施例中，晶圆201为硅晶圆，氧化层202为SiO2氧化层。
步骤S512：在氧化层202上旋涂光刻胶203；
步骤S513：如图9(c)所示，进行电子束曝光(EBL)，通过调节曝光剂量使得曝光得到的不可溶光刻胶2031的横截面尺寸与超表面透镜的各微纳结构21的横截面尺寸设计值相同，光刻胶203的其余部分为可溶光刻胶2032；在本实施例中，采用的光刻胶是正胶，因此可溶光刻胶2032为曝光的这部分光刻胶，下文中显影溶解的是曝光的这部分光刻胶。
步骤S514：如图9(d)所示，进行显影以溶解可溶光刻胶2032。上述步骤完成后即完成了光刻工艺，即待刻蚀的微纳结构图形的转移。
步骤S52：进行刻蚀工艺，分为以下几步：
步骤S521：如图9(e)所示，通过反应离子刻蚀(RIE)技术对氧化层202进行刻蚀，形成硬掩模204；在此过程中，不可溶光刻胶2031仍残留于SiO2层的表面，而后使用等离子体去胶机去除不可溶光刻胶2031、留下SiO2硬掩膜。
步骤S522：如图9(f)所示，通过深硅刻蚀(ICP)技术对晶圆201进行刻蚀，通过调节刻蚀气体和刻蚀速率参数，精确地刻蚀出设计的刻蚀深度(微纳结构高度)，由此得到超表面透镜的衬底1(即硅晶圆的主体部分)和微纳结构超表面2(即刻蚀后得到的硅晶圆的表面结构)。其中，完成刻蚀后得到的微纳结构21的厚度为十微米量级。
在本实施例中，制作得到的基于超表面透镜和双色探测器设计共光路共焦红外双波段光学系统在不同波段的聚焦位置如图7-图8所示。如图7所示，中波红外电磁波(工作波段为4.0-4.8μm)经所述光学系统后聚焦于距离超表面透镜500μm处的焦平面处。如图8所示，长波红外电磁波(工作波段为10-12μm)经所述双波段红外光学系统后聚焦于距离超表面透镜500μm处的焦平面处。该红外光学系统具备共光路共焦面红外双波段成像功能。本实施例的工作波段和口径、焦距等参数仅作为一个具体案例，实际应用中，紧凑型共光路共焦红外双波段光学系统的参数不局限于此。上述设计方法是通用的，可用于设计口径和焦距为毫米级和厘米级的超表面透镜，可用于设计工作波段为3-5μm和8-14μm的紧凑型共光路共焦红外双波段光学系统。
以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。

Claims (10)

1.一种紧凑型共光路共焦红外双波段光学系统，其特征在于，包括沿光入射方向依次同轴设置的超表面透镜和探测器(3)，所述超表面透镜具有两个目标工作波段，超表面透镜由衬底(1)和设于所述衬底(1)的一侧表面上的微纳结构超表面(2)构成，所述微纳结构超表面(2)为微纳结构(21)的阵列，不同的微纳结构(21)具有相同的高度、相同的指向角度和不同的横截面尺寸；
其中，各微纳结构(21)的横截面尺寸基于微纳结构(21)的参数空间和电磁波经过各微纳结构(21)后的相位分布确定；电磁波经过各微纳结构(21)后的相位分布根据超表面透镜的对双波段的消色差成像要求来确定，所述超表面透镜的对双波段的消色差成像要求是：对于目标工作波段中的不同波段的电磁波而言，超表面透镜的焦距相同；微纳结构(21)的参数空间通过基于时域有限差分算法的电磁仿真手段对横截面尺寸进行参数扫描，得到电磁波经过微纳结构(21)后获得的相位与微纳结构(21)的横截面尺寸的对应关系，来建立。
2.根据权利要求1所述的紧凑型共光路共焦红外双波段光学系统，其特征在于，对超表面透镜的任意一个位置r，目标工作波段中的不同波长λi的电磁波经过该微纳结构(21)后获得的相位
Figure FDA0002801072460000011
与该位置该波长下的校正后的相位的差值等于或近似于2π的整数倍，等于或近似于2π的整数倍是指与2π的整数倍的差值绝对值小于π/2，目标工作波段中的每个波长λi下的校正后的相位分布为：
Figure FDA0002801072460000012
其中，r为超表面透镜上的空间位置坐标，λi为第i种电磁波的波长，f为超表面透镜的焦距，C(λi)为第i种电磁波的相位因子。
3.根据权利要求1所述的紧凑型共光路共焦红外双波段光学系统，其特征在于，所述超表面透镜的目标工作波段为中波红外波段和长波红外波段，中波红外波段为4.0-4.8μm，长波红外波段为10-12μm，所述探测器(3)为工作于中波红外波段和长波红外波段的双色探测器。
4.根据权利要求3所述的紧凑型共光路共焦红外双波段光学系统，其特征在于，所述超表面透镜的厚度为百微米至毫米量级，微纳结构(21)的厚度为十微米量级，微纳结构(21)的高度H为λ2/2至2λ2，横截面尺寸D为0.1U至0.9U，且所述阵列的周期U为λ2/n至λ1，λ1为中波红外波段的中心波长，λ2为长波红外波段的中心波长，n为超表面透镜的材料的折射率。
5.根据权利要求1所述的紧凑型共光路共焦红外双波段光学系统，其特征在于，所述阵列的构型是正方晶格阵列或三角晶格阵列，所述微纳结构(21)是圆柱、方柱和椭圆柱。
6.根据权利要求1所述的紧凑型共光路共焦红外双波段光学系统，其特征在于，所述超表面透镜的材料为硅或锗，超表面透镜的衬底(1)和微纳结构超表面(2)由同一个晶圆制作得到。
7.一种紧凑型共光路共焦红外双波段光学系统的制作方法，其特征在于，包括：
步骤S1：设计一由衬底(1)和设于所述衬底(1)的一侧表面上的微纳结构超表面(2)构成的超表面透镜，所述微纳结构超表面(2)为微纳结构(21)的阵列；确定微纳结构(21)共同的高度和指向角度；随后根据双波段红外光学系统的目标工作波段，基于时域有限差分算法的电磁仿真手段，对微纳结构(21)的横截面尺寸进行参数扫描，来建立微纳结构(21)的参数空间，参数空间中包含了电磁波经过微纳结构(21)后获得的相位与微纳结构(21)的横截面尺寸的对应关系；
步骤S2：根据双波段红外光学系统的需求确定超表面透镜的口径、焦距和两个目标工作波段，并给出超表面透镜的在不同波长下的理想相位分布；
步骤S3：通过优化算法确定得到一组相位因子最优解，使得对于超表面透镜的任意一个位置r而言，都能够从微纳结构(21)的参数空间中选出相应的微纳结构(21)的参数以使目标工作波段中的不同波长λi的电磁波经过该微纳结构(21)后获得的相位
Figure FDA0002801072460000021
与该位置该波长下的校正后的相位的差值等于或近似于2π的整数倍，等于或近似于2π的整数倍是指与2π的整数倍的差值绝对值小于π/2，从而得到满足超表面透镜的对双波段的消色差成像要求的电磁波经过各微纳结构(21)后的相位分布；
校正后的相位分布为：
Figure FDA0002801072460000031
其中，r为超表面透镜上的空间位置坐标，λi为第i种电磁波的波长，f为超表面透镜的焦距，C(λi)为第i种电磁波的相位因子；
步骤S4：基于所述步骤S1中的微纳结构(21)的参数空间和所述步骤S3中的电磁波经过各微纳结构(21)后的相位分布，进行匹配得到超表面透镜的各微纳结构(21)的横截面尺寸设计值；
步骤S5：根据超表面透镜的各微纳结构(21)的横截面尺寸设计值制作超表面透镜，并沿光入射方向依次同轴设置所述超表面透镜和一探测器(3)。
8.根据权利要求7所述的紧凑型共光路共焦红外双波段光学系统的制作方法，其特征在于，所述步骤S3包括：
步骤S31：设置一群粒子，每个粒子对应一组相位因子C(λi)，对每个粒子，随机生成一组介于-2π到2π之间的常数作为待优化的C(λi)的初始值，代入校正后的相位分布的公式，并将校正后的相位分布
Figure FDA0002801072460000032
加减整数倍的2π后压缩入0到2π范围内，记为校正相位
Figure FDA0002801072460000033
对于超表面透镜上每个位置r，对参数空间中的每个微纳结构(21)，分别计算各波长λi的电磁波经过该微纳结构(21)后的相位
Figure FDA0002801072460000034
与该位置该波长下的校正相位
Figure FDA0002801072460000035
的差值的绝对值
Figure FDA0002801072460000036
N表示该微纳结构(21)的参数在参数空间中的序号，将
Figure FDA0002801072460000037
对所有波长求和得到电磁波经过该微纳结构(21)后的相位与校正相位的总相位差
Figure FDA0002801072460000038
找到使得总相位差
Figure FDA0002801072460000039
最小的这个微纳结构参数N作为超表面透镜在位置r处的微纳结构(21)的参数的设计值，并得到该总相位差的最小值
Figure FDA00028010724600000310
随后对超表面透镜上的每个位置r，均进行上述操作，得到每个位置的总相位差的最小值
Figure FDA00028010724600000311
对所有位置
Figure FDA00028010724600000312
求和得到整个超表面透镜对所有波长所有位置的汇总相位差，作为粒子群算法中的适应度值
Figure FDA00028010724600000313
随后，对于这一群粒子，每个粒子对应一个适应度值
Figure FDA00028010724600000314
从所有适应度值
Figure FDA00028010724600000315
中选取的最小值为这一群粒子的当前的最佳适应度值
Figure FDA00028010724600000316
最佳适应度值
Figure FDA00028010724600000317
对应的相位因子C(λi)为当前的相位因子最优解Cbest(λi)；
步骤S32：进行一轮迭代，对粒子群中每个粒子的C(λi)上分别加上一改变值，以改变后的相位因子最优解C(λi)重复步骤S31，得到该代的最佳适应度值
Figure FDA0002801072460000041
以及相应的相位因子最优解Cbest(λi)；将该最佳适应度值与历史最优适应度值进行比较，如果该代的最佳适应度值更大，则保留历史最优适应度值及相应最优解，如果该代的最佳适应度值更小，则以此作为新的历史最优适应度值，其对应的Cbest(λi)作为新的相位因子的历史最优解；
步骤S33：重复步骤S32数十次至数百次，以得到总的最佳适应度值和相位因子最优解C(λi)，并根据相位因子最优解C(λi)得到校正后的相位分布，作为满足超表面透镜的对双波段的消色差成像要求的电磁波经过各微纳结构(21)后的相位分布。
9.根据权利要求7所述的紧凑型共光路共焦红外双波段光学系统的制作方法，其特征在于，在所述步骤S5中，超表面透镜的衬底(1)和微纳结构超表面(2)由同一个硅或锗材质的晶圆制作得到的。
10.根据权利要求7所述的紧凑型共光路共焦红外双波段光学系统的制作方法，其特征在于，在所述步骤S5中，制作超表面透镜，包括：
步骤S511：对晶圆(201)进行热氧化，生成氧化层(202)；
步骤S512：在氧化层(202)上旋涂光刻胶(203)；
步骤S513：进行电子束曝光，通过调节曝光剂量使得曝光得到的不可溶光刻胶(2031)的横截面尺寸与超表面透镜的各微纳结构(21)的横截面尺寸设计值相同，光刻胶(203)的其余部分为可溶光刻胶(2032)；
步骤S514：进行显影以溶解可溶光刻胶(2032)；
步骤S521：通过反应离子刻蚀技术对氧化层(202)进行刻蚀，形成硬掩模(204)；
步骤S522：通过深硅刻蚀技术对晶圆(201)进行刻蚀，通过调节刻蚀气体和刻蚀速率参数，精确地刻蚀出设计的刻蚀深度，得到超表面透镜的衬底(1)和微纳结构超表面(2)。
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