CN112637525B - 一种硅基光电子一体化成像系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种硅基光电子一体化成像系统，该系统包括前端透镜组、成像模块和计算图像处理模块；其特征在于，所述前端透镜组包括按照光入射方向依次排列的超透镜、超表面准直透镜和平面硅基光波导；所述超透镜以硅为基底，通过设计超透镜表面的纳米柱的参数，实现对通过光波的振幅、相位、偏振的调控；所述平面硅基光波导中含有具有表面等离子基元放大作用的贵金属纳米粒子；光束依次通过超透镜、超表面准直透镜和平面硅基光波导入射到成像模块，成像模块与计算图像处理模块相连。本发明能够对光波的振幅、相位、偏振进行灵活的调控，从而最大限度的实现光电一体化成像。

Description

一种硅基光电子一体化成像系统
技术领域
本发明涉及光电子技术领域，具体涉及一种硅基光电子一体化成像系统。
背景技术
传统光学成像系统的成像原理与人眼类似，通过前端透镜阵列将光线聚焦到光感探测器，然后基于光强分布生成目标图像。美国“锁眼”光学侦察卫星以及“哈勃”太空望远镜均采用这一成像原理。但这些光学系统均是通过控制光束在给定折射率介质中传播的光程来实现对波面的相位、振幅和偏振进行调控的。基于这种方式，相位和偏振的变化是通过光束在透镜或波片等光学元件中的传播积累而成的。因此，传统光学元件在对波面的控制方面具有很强的局限性，为了保证光程的累积量，光学元件的尺寸和厚度都受到了限制，并且为了保证波面调控的精确度和准确性，对元件加工的精确度要求也很高。而且现有的光学系统，由于加工工艺不兼容的原因，样品集成度较低，难以实现一体化集成。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种硅基光电子一体化成像系统，能够对光波的振幅、相位、偏振进行灵活的调控，从而最大限度的实现光电一体化成像。
为了解决上述技术问题，本发明是这样实现的。
一种硅基光电子一体化成像系统，该系统包括前端透镜组、成像模块和计算图像处理模块；其特征在于，所述前端透镜组包括按照光入射方向依次排列的超透镜、超表面准直透镜和平面硅基光波导；所述超透镜以硅为基底，通过设计超透镜表面的纳米柱的参数，实现对通过光波的振幅、相位、偏振的调控；所述平面硅基光波导中含有具有表面等离子基元放大作用的贵金属纳米粒子；光束依次通过超透镜、超表面准直透镜和平面硅基光波导入射到成像模块，成像模块与计算图像处理模块相连。
优选地，该系统包括2个所述前端透镜组；所述成像模块采用CMOS干涉成像模块；2个前端透镜组出射的光波共同入射到CMOS干涉成像模块产生干涉。
优选地，所述超透镜设计为具有偏振功能，使得本成像系统形成偏振成像系统。
优选地，所述超透镜设计为可以对左旋偏振光和右旋偏振光进行同时成像。
优选地，所述超透镜、超表面准直透镜、平面硅基光波导的直径设计为400um-600um。
优选地，所述超透镜的方形基底尺寸为500um×500um。
优选地，所述超透镜的工作波长在700nm-900nm范围内。
优选地，所述的贵金属纳米粒子为金、银或铜。
有益效果：
(1)本发明的成像系统采用超透镜实现，通过设计超透镜表面的纳米柱的参数，能够实现对光波振幅、相位、偏振的灵活调控，且损耗小。由于相位和偏振的变化并不是通过光束在透镜或波片等光学元件中的传播积累而成的，因此对光学元件的尺寸和厚度没有限制。因此可以通过采用较薄的超透镜，提升系统集成度，减轻系统重量。而且，以硅为基底加工的超透镜，加工要求相对简单，且与半导体工艺相兼容，极大地增加了系统设计的灵活性，更适合大规模集成。
(2)本发明光束通过超透镜和准直透镜后，进入平面硅基光波导，波导中的贵金属纳米粒子会产生表面等离子体共振效应，可以在实现光子信号传输的同时最大限度的实现光子信号的放大，从而提升成像质量。在采用CMOS干涉成像模块的方案中，平面硅基光波导的使用能够提升产生干涉的成功率。
(3)通过将超透镜设计为具有偏振功能，从而形成偏振成像系统，能同时获取目标的斯托克斯偏振参数，为抑制海面耀光，海雾，大气辐射等干扰，提升探测目标对比度提供一种有效手段，在进行动态目标探测方面具有明显优势。
(4)通过超透镜设计，还可以实现同一CCD面阵上对左旋偏振光和右旋偏振光图像同时成像，最大限度的实现光电一体化成像。
附图说明
图1为本发明实施例一的结构示意图；
其中，1-超透镜，2-超表面准直透镜，3-平面硅基光波导，4-成像模块，5计算图像处理模块；
图2为本发明实施例二的结构示意图；
其中，11-第一超透镜，12-第二超透镜，21-第一超表面准直透镜，22-第二超表面准直透镜，31-第一平面硅基光波导，32-第二平面硅基光波导，4-成像模块(CMOS干涉成像模块)，5-计算图像处理模块。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
实施例一
本实施例提供了一种硅基光电子一体化成像系统，如图1所示，其包括前端透镜组、成像模块4和计算图像处理模块5。前端透镜组包括按照光入射方向依次排列的超透镜1、超表面准直透镜2和平面硅基光波导3。光束依次通过超透镜1、超表面准直透镜2和平面硅基光波3导入射到成像模块4，成像模块4与计算图像处理模块5相连。
超透镜是本发明的核心，通过设计超透镜表面的纳米柱的参数，能够实现对通过光波的振幅、相位、偏振的灵活调控，且损耗小。超透镜以硅为基底，加工要求相对简单，且与半导体工艺相兼容，极大地增加了系统设计的灵活性，更适合大规模集成。
超透镜可以设计为具有偏振功能，使得本成像系统形成偏振成像系统，其能同时获取目标的斯托克斯偏振参数，为抑制海面耀光，海雾，大气辐射等干扰，提升探测目标对比度提供一种有效手段。
超透镜还可以设计为对左旋偏振光和右旋偏振光进行同时成像。
因为超透镜比较薄，其方形基底尺寸可以设计的比较小，例如为500um×500um，此时重量小于1g，可见超透镜的使用能够极大的减小整个系统的设备重量，利用系统的一体化集成。
根据系统所需的工作波段、口径和焦距可以对超透镜进行设计，优选地，将超透镜、超表面准直透镜、平面硅基光波导的直径设计为400um-600um。所述超透镜的工作波长在700nm-900nm范围内。
平面硅基光波导含有具有表面等离子基元放大作用的贵金属纳米粒子。贵金属纳米粒子为金、银或铜。光束通过超透镜和准直透镜后，进入平面硅基光波导，波导中的贵金属纳米粒子会产生表面等离子体共振效应，可以在实现光子信号传输的同时最大限度的实现光子信号的放大，从而提升成像质量。
本系统的具体工作过程：光波束首先通过超透镜进入超表面准直透镜，实现光波束的准直化，空间光子进入高稳定光学特性的平面硅基光波导，波导中的贵金属纳米粒子会产生表面等离子体共振效应，可以在实现光子信号传输的同时最大限度的实现光子信号的放大，从而获得基本成像条件所需的空间光子功率与相位，之后进入成像模块，实现光信号到可量化的电信号的转化，最后通过计算成像处理模块生成数字图像。
实施例二
本实施例提供了的硅基光电子一体化成像系统，如图2所示，其包括2个前端透镜组、CMOS干涉成像模块4和计算图像处理模块5。其中一个前端透镜组包括第一超透镜11、第一超表面准直透镜21和第一平面硅基光波导31。另一个前端透镜组包括第二超透镜12、第二超表面准直透镜22和第二平面硅基光波导32。第一超表面准直透镜21的上方是第一超透镜11；第二超表面准直透镜22的上方是第二超透镜12。光束通过第一超表面准直透镜21、第一平面硅基光波导31后进入CMOS干涉成像模块4；光束同过第二超表面准直透镜22、第二平面硅基光波导32后进入CMOS干涉成像模块4。两个光束投射在CMOS干涉成像模块的同一区域形成干涉。第一平面硅基光波导31和第二平面硅基光波导32中均含有具有表面等离子基元放大作用的贵金属纳米粒子，CMOS干涉成像模块4与计算图像处理模块5相连。
超透镜、超表面准直透镜、平面硅基光波导的设计原理均与实施例一相同。
具体工作过程：光波束分别通过第一超透镜和第二超透镜进入第一超表面准直透镜和第二超表面准直透镜，实现光波束的准直化，空间光子分别进入高稳定光学特性的第一平面硅基光波导、第二平面硅基光波导，波导中的贵金属纳米粒子会产生表面等离子体共振效应，可以在实现光子信号传输的同时最大限度的实现光子信号的放大，从而获得基本成像条件所需的空间光子功率与相位，之后进入CMOS干涉成像模块，实现光信号到可量化的电信号的转化，最后通过计算成像处理模块生成数字图像。
以上的具体实施例仅描述了本发明的设计原理，该描述中的部件形状，名称可以不同，不受限制。所以，本发明领域的技术人员可以对前述实施例记载的技术方案进行修改或等同替换；而这些修改和替换未脱离本发明创造宗旨和技术方案，均应属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种硅基光电子一体化成像系统，该系统包括前端透镜组、成像模块(4)和计算图像处理模块(5)；其特征在于，所述前端透镜组由按照光入射方向依次排列的超透镜(1)、超表面准直透镜(2)和平面硅基光波导(3)组成；所述超透镜(1)以硅为基底，通过设计超透镜表面的纳米柱的参数，实现对通过光波的振幅、相位、偏振的调控；所述平面硅基光波导(3)中含有具有表面等离子基元放大作用的贵金属纳米粒子；光束依次通过超透镜(1)、超表面准直透镜(2)和平面硅基光波导(3)入射到成像模块(4)，成像模块(4)与计算图像处理模块(5)相连；
该系统包括2个所述前端透镜组，包括第一超透镜(11)、第二超透镜(12)、第一超表面准直透镜(21)、第二超表面准直透镜(22)、第一平面硅基光波导(31)和第二平面硅基光波导(32)；所述成像模块(4)采用CMOS干涉成像模块；2个前端透镜组出射的光波共同入射到CMOS干涉成像模块产生干涉；
所述超透镜(1)设计为具有偏振功能，使得本成像系统形成偏振成像系统；
所述超透镜(1)设计为可以对左旋偏振光和右旋偏振光进行同时成像；
光波束分别通过第一超透镜(11)和第二超透镜(12)进入第一超表面准直透镜(21)和第二超表面准直透镜(22)，实现光波束的准直化，空间光子分别进入高稳定光学特性的第一平面硅基光波导(31)、第二平面硅基光波导(32)，波导中的贵金属纳米粒子产生表面等离子体共振效应，可以在实现光子信号传输的同时最大限度的实现光子信号的放大，从而获得基本成像条件所需的空间光子功率与相位，之后进入CMOS干涉成像模块，实现光信号到可量化的电信号的转化，最后通过计算图像处理模块生成数字图像。
2.根据权利要求1所述的一种硅基光电子一体化成像系统，其特征在于：所述超透镜(1)、超表面准直透镜(2)、平面硅基光波导(3)的直径设计为400um-600um。
3.根据权利要求1所述的一种硅基光电子一体化成像系统，其特征在于：所述超透镜(1)的方形基底尺寸为500um×500um。
4.根据权利要求1所述的一种硅基光电子一体化成像系统，其特征在于：所述超透镜(1)的工作波长在700nm-900nm范围内。
5.根据权利要求1所述的一种硅基光电子一体化成像系统，其特征在于：所述的贵金属纳米粒子为金、银或铜。
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