CN112596232A - 一种基于偏振无关透镜的红外光场成像装置及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于偏振无关透镜的红外光场成像装置，其特征在于包括：主透镜、传感器和透镜阵列，所述透镜阵列置于主透镜与传感器之间；所述透镜阵列由多个相同的偏振无关的红外消色差超表面透镜紧密排列而成；所述红外消色差超表面透镜是由不同的结构单元按照特定的参考相位及相位对频率偏导的分布排列而成。本发明公开的超表面透镜阵列，与传统微透镜阵列相比,透镜的尺寸可以做到更小，且透镜的厚度为波长量级，有利于光学器件向集成化、轻便化发展。

Description

一种基于偏振无关透镜的红外光场成像装置及制备方法

技术领域

本发明属于微纳光子学领域，特别涉及一种基于偏振无关的消色差超表面透镜阵列的红外光场成像装置及制备方法。

背景技术

传统的成像方式仅仅获得三维光线在二维平面上的投影信息，而丢失其他维度的信息，如光线的方向信息，造成了光场信息的缺失，进而限制了其应用。而光场成像方式不仅能记录光线的位置信息，而且还能记录其方向信息，可获得光场的四维信息。

目前，光场成像从结构上可分为多相机阵列和单相机改造两种。多相机阵列是将多个相机按照特定的排列方式进行组合，每台相机从不同的角度对目标物体进行成像，进而可获得多角度的图像。然而其规模和尺寸限制了其应用，因此有必要对单相机的光场成像进行研究。单相机改造是把传统相机与光场调制器件相结合，最终在传感器上成像。1992年，E.Adelson和J.Wang利用单相机设计了一种全光相机，其主要由主镜头、微透镜阵列和传感器组成。其中，微透镜阵列放置于主透镜和传感器的共轭面上。2005年，R.Ng将传感器置于微透镜阵列的焦面上，设计了一种手持光场相机。之后，为了提高空间分辨率，T.Georgiev等人采用减少方向采样的方法，即降低角分辨率。具体做法就是减小每个微透镜单元的孔径和焦距，但是这会带来加工和耦合的难题。为了解决上述问题，A.Lumsdaine和T.Georgiev设计了“聚焦光场相机”。其中，微透镜阵列没有放置于主透镜的焦平面上，而是在其前方或者后方。通过调整微透镜阵列与主透镜焦平面的距离以及其与传感器的距离来控制方向和空间分辨率。

然而，上述传统的微透镜阵列通过对材料进行加热，固化后形成透镜表面，这一过程难以保证透镜的曲率精确满足设计要求，并且其尺寸较大，不利于器件的集成和小型化。近些年，将亚波长的结构单元按照特定要求排列而成的超表面为器件的小型化和集成化提供了一个新的途径。

目前，对基于超表面透镜阵列的红外光场成像的研究是缺乏的。而利用超表面透镜阵列实现红外波段的光场成像，能获取目标物体的相关信息，有望用于夜视仪、红外探测、红外制导等领域，具有巨大的应用潜力，因此有必要对基于偏振无关的消色差超表面透镜阵列的红外光场成像进行研究。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于偏振无关的消色差超表面透镜阵列的红外光场成像装置及制备方法。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种基于偏振无关透镜的红外光场成像装置，其特征在于包括：主透镜、传感器和透镜阵列，所述透镜阵列置于主透镜与传感器之间；

所述透镜阵列由多个相同的偏振无关的红外消色差超表面透镜紧密排列而成；所述红外消色差超表面透镜是由不同的结构单元按照特定的参考相位及相位对频率偏导的分布排列而成。

进一步的，结构单元包括基底以及设置在基底上的微纳结构。

进一步的，微纳结构的横截面为中心对称或各项异性的图形。

进一步的，微纳结构的数量为1到4个。

进一步的，基底和微纳结构采用对红外波段具有低损耗、高透过率的介质材料，所述介质材料为氟化钡、氟化钙、硅、锗或红外硫系玻璃。

进一步的，结构单元基底是周期性的，基底的周期p、微纳结构的高度h、以及微纳结构横截面的边长或直径小于或等于红外光波波长。

进一步的，红外消色差超表面透镜为圆形或方形。

进一步的，红外消色差超表面透镜中结构单元的排列，需要同时满足以下两个条件：

(1)在参考波长λ₀、焦长f已经确定的情况下，参考相位分布应满足式1：

其中，r和α分别为透镜上任一点到透镜中心的距离和入射角；

(2)相位对频率ω的偏导只与位置r有关，满足式2：

其中：f、c、r和α分别为焦长、光速、透镜上任一点到透镜中心的距离和入射角；

一种透镜阵列的制备方法，包括以下步骤：

(1)采用仿真设计透镜阵列图案，生成GDS格式的截面图形，利用激光直写系统将上述图形转移到铬膜上，铬膜作为后续光刻工艺的掩膜版；

(2)将光刻胶旋涂在介质材料上，并进行烘烤；

(3)利用紫外光刻法将掩膜上的图案转移到光刻胶中，进行显影和定影；

(4)利用感应耦合等离子体系统对定影后的样品进行刻蚀，之后再用去胶液移除残胶，得到最终的透镜阵列的结构。

基于偏振无关的消色差超表面透镜阵列的红外光场成像，该透镜阵列由多个相同的偏振无关的红外消色差超表面透镜紧密排列而成。而每个消色差超表面透镜又是由不同的结构单元按照特定的要求排列而成。结构单元包括基底以及其上的微纳结构两个部分，都采用对红外波段具有高透射率的介质材料，如红外硫系玻璃、锗、硅、氟化钡、氟化钙等。

首先，根据工作波段、焦长f，设计单个消色差的超表面透镜。参考相位需满足以下关系：

其中，λ₀为工作波段中任意一参考波长，r为透镜上任一点到透镜中心的距离，α为入射角。

此外，相位对频率(ω)的偏导只与位置r有关，如下：

其中，c为光速。

根据工作波长，选择低损耗、高透过率的介质材料，如硅、锗、氟化钡、红外硫系玻璃等材料。

要实现超表面透镜对入射波偏振无关特性，基底上的微纳结构的横截面通常为圆形、方形等中心对称的图形。此外，还可以为长方形等。

结构单元的周期P、微柱高度h、微柱边长或直径通常小于等于一个波长。

利用仿真软件，如FDTD等，仿真得到符合参考相位和相位对频率偏导要求的结构单元，然后排列成超表面透镜。

将上述单个超表面透镜紧密的排列，构成消色差的超表面透镜阵列。

将设计好的透镜阵列生产GDS文件，然后通过激光直写、紫外光刻、感应耦合等离子体系统对其进行加工制备，得到透镜阵列样品。

将超表面透镜阵列置于主透镜和传感器之间，通过后期的计算成像技术，对目标物体进行重聚焦及相关信息的获取。

本发明的有益效果为：

1、本发明公开的超表面透镜阵列，与传统微透镜阵列相比,透镜的尺寸可以做到更小，且透镜的厚度为波长量级，有利于光学器件向集成化、轻便化发展。

2、本发明的超表面透镜阵列具有偏振无关和消色差特性，有利于提高成像质量，特别是热成像，在夜视仪、红外探测和红外制导等领域具有巨大的应用潜力。

3、本发明与传统成像方式相比,能同时记录光线的位置和方向信息，获得四维的光场信息，后期通过计算成像技术可以对目标物体进行重聚焦成像等。

附图说明

图1是本发明实施例中，包含两个微柱的结构单元的立体图。其中微柱有两种排列方式，且基底和微柱的材料都为硅。

图2是本发明实施例中，包含两个微柱的结构单元的俯视图。

图3是本发明实施例中，单个偏振无关圆形超表面透镜结构的立体图。

图4是本发明实施例中，单个偏振无关圆形超表面透镜结构的俯视图。

图5是本发明实施例中，当入射波为左旋圆偏振时，对直径上(x方向)的13个结构单元进行一维仿真，获得的x-z平面上的电场分布图。

图6是本发明实施例中，当入射波为右旋圆偏振时，对直径上(x方向)的13个结构单元进行一维仿真，获得的x-z平面上的电场分布图。

图7是本发明实施例中，3×3透镜阵列在x-y平面上的示意图。

图8是本发明实施例中，基于超表面透镜阵列的红外光场成像的实验光路简图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

本实施例中，透镜阵列由多个相同的偏振无关的红外消色差超表面透镜紧密排列而成。红外消色差超表面透镜是由不同的结构单元按照特定的参考相位及相位对频率偏导的分布排列而成。结构单元包括基底以及设置在基底上的微纳结构。

红外消色差超表面透镜的入射角α和单个超表面透镜的半径R、工作波长、参考波长λ₀和焦长f分别为0°、52μm、9μm～10.5μm、10.5μm和110μm。由下面两式，可以得到所需要的参考波长的相位和相位对频率的偏导的分布：

根据工作波段，适当的选择基底和微纳结构的材料，本实施例中，我们选择硅作为基底和微纳结构的材料。

要实现超表面透镜对入射波的偏振无关特性，微纳结构平行于基底的横截面通常为圆形、方形等中心对称的图形。此外，也可以为长方形等各项异性图形。在本实施例中，为了保持较多可调参数，避免自由度的损失，采用横截面为长方形的微纳结构。结构单元的立体图和俯视图分别如图1和图2所示。

利用FDTD仿真得到满足各个位置处的参考相位和相位对频率偏导的结构单元，然后排列组合成单个偏振无关的消色差的超表面透镜。在对结构单元仿真时，结构单元的周期P和微纳结构的高度h分别为8μm和10μm，x和y方向上设置为周期性边界条件，z方向上设置为PML边界条件。单个超表面透镜的立体图如图3所示，俯视图如图4所示。

利用FDTD对单个超表面透镜的聚焦效果进行仿真。为了减小仿真工作量和节省仿真时间，本实施例中，只对直径(x方向)上的13个结构单元进行一维仿真，其效果如图5和图6所示。因为任何偏振态都可以由左旋圆偏振和右旋圆偏振叠加组成，因此本实施例对任何偏振态(包括线偏振等)的入射波聚焦效果都近似相同。

将上述单个超表面透镜紧密排列，构成超表面透镜阵列。本实施例以3×3的透镜阵列为例，其x-y平面上的示意图如图7所示。

将上述设计好的透镜阵列进行加工，采取的加工步骤：(a)将仿真设计好的透镜阵列图案生成GDS文件，利用激光直写系统将图案写入到铬板上,作为后续光刻工艺的掩膜。(b)将一定厚度的光刻胶旋涂在硅片上，并进行烘烤。(c)利用紫外光刻法掩膜上的图案转移到光刻胶中，进行显影和定影。(d)利用电感耦合等离子体刻蚀系统(ICP)进行蚀刻，再用去胶液移除残胶，得到最终的透镜阵列的结构。

红外光场成像。将上述加工好的红外超表面透镜阵列置于主透镜和传感器之间，进行相关实验。实验光路简图如图8所示，由主透镜成的物体的像经过超表面透镜阵列呈现在传感器上，传感器记录从目标物体辐射出的红外电磁波信息，通过算法可对目标物体进行重聚焦成像以及获取其相关信息。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (9)

1.一种基于偏振无关透镜的红外光场成像装置，其特征在于包括：主透镜、传感器和透镜阵列，所述透镜阵列置于主透镜与传感器之间；

所述透镜阵列由多个相同的偏振无关的红外消色差超表面透镜紧密排列而成；所述红外消色差超表面透镜是由不同的结构单元按照特定的参考相位及相位对频率偏导的分布排列而成。

2.根据权利要求1所述的基于偏振无关透镜的红外光场成像装置，其特征在于：所述结构单元包括基底以及设置在基底上的微纳结构。

3.根据权利要求2所述的基于偏振无关透镜的红外光场成像装置，其特征在于：所述微纳结构的横截面为中心对称或各项异性的图形。

4.根据权利要求2所述的基于偏振无关透镜的红外光场成像装置，其特征在于：所述微纳结构的数量为1到3个。

5.根据权利要求2所述的基于偏振无关透镜的红外光场成像装置，其特征在于：所述基底和微纳结构采用对红外波段具有低损耗、高透过率的介质材料，所述介质材料为氟化钡、氟化钙、硅、锗或红外硫系玻璃。

6.根据权利要求2所述的基于偏振无关透镜的红外光场成像装置，其特征在于：所述结构单元基底是周期性的，基底的周期p、微纳结构的高度h、以及微纳结构横截面的边长或直径小于或等于红外光波波长。

7.根据权利要求1所述的基于偏振无关透镜的红外光场成像装置，其特征在于：所述红外消色差超表面透镜为圆形或方形。

8.根据权利要求1所述的基于偏振无关透镜的红外光场成像装置，其特征在于：所述红外消色差超表面透镜中结构单元的排列，需要同时满足以下两个条件：

(1)在参考波长λ₀、焦长f已经确定的情况下，参考相位分布应满足式1：

其中，r和α分别为透镜上任一点到透镜中心的距离和入射角；

(2)相位对频率ω的偏导只与位置r有关，满足式2：

其中：f、c、r和α分别为焦长、光速、透镜上任一点到透镜中心的距离和入射角。

9.一种根据权利要求1至8任一所述的透镜阵列的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)采用仿真设计透镜阵列图案，生成GDS格式的截面图形，利用激光直写系统将上述图形转移到铬膜上，铬膜作为后续光刻工艺的掩膜版；

(2)将光刻胶旋涂在介质材料上，并进行烘烤；

(3)利用紫外光刻法将掩膜上的图案转移到光刻胶中，进行显影和定影；

(4)利用感应耦合等离子体系统对定影后的样品进行刻蚀，之后再用去胶液移除残胶，得到最终的透镜阵列的结构。

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