CN112987018B - 利用平面微纳结构透镜实现大凝视视场探测的激光成像光学系统 - Google Patents

利用平面微纳结构透镜实现大凝视视场探测的激光成像光学系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种利用平面微纳结构透镜实现大凝视视场探测的激光成像光学系统，包括：平面微纳结构透镜、球面反射镜和激光探测器；平面微纳结构透镜作为激光成像系统的入瞳光学器件，通过在沿光线入射方向的平面透镜表面制备亚波长微纳结构，对不同入瞳视场的激光进行光束相位调制，实现大视场激光光束接收，再经凹球面镜反射，最终聚焦到激光探测器像面上。本发明采用平面微纳结构透镜替代传统物镜透镜组及多级次非球面透镜，光学系统构架简洁，光学元件数量少，具有轻量化、集成化和低成本等特点，相比于传统空间激光成像探测系统，系统视场、地面探测幅宽及对地成像分辨性能均有大幅提升。

Description

利用平面微纳结构透镜实现大凝视视场探测的激光成像光学 系统
技术领域
本发明提供一种利用平面微纳结构透镜实现大凝视视场探测的激光成像光学系统，属于成像探测和微纳结构器件领域。
背景技术
随着激光技术的迅速发展，激光成像在空间、遥感、测绘、监视及光电工程等领域的应用越来越广泛，近地轨道、同步轨道及高轨空间激光成像探测系统对作用距离和成像分辨率的要求越来越高。目前，基于激光雷达的探测系统成像方式主要分为扫描式和非扫描式。扫描式系统由于系统成像视场范围较小，一般不超过0.1°，由于视场限制需较大的扫描步进距离实现地面大幅宽距离成像，而扫描步进距离对成像分辨率的性能制约极大，导致扫描式激光成像系统对扫描器件性能要求极高，器件设计难度及成本较大；非扫描式激光雷达系统成像效率较高，但由于传统大面阵曲面及非球面透镜组阵列因制造工艺复杂、面型精度较差及成本较高而难以获取，因此，分辨率仍难以满足实际使用需求。
发明内容
针对技术发展需求和现有技术缺陷，本发明的目的在于提供一种利用平面微纳结构透镜实现大凝视视场探测的激光成像光学系统，旨在解决上述空间激光成像探测存在的视场小、成像分辨低、系统复杂、成本较高等问题。
本发明技术方案如下：
一种利用平面微纳结构透镜实现大凝视视场探测的激光成像光学系统，包括：平面微纳结构透镜、反射系统和激光探测器。所述平面微纳结构透镜接收探测目标反射光束，经其表面微纳结构对不同入瞳视场的激光进行光束相位调制传输到球面反射镜，球面反射镜对光束进行反射，最终聚焦到激光探测器像面上。
需要说明的是通过对平面微纳结构透镜的表面亚波长单元结构特征进行优化设计，不会对系统传输能量产生较大损耗。
所述平面微纳结构透镜作为激光成像系统的入瞳光学器件，接收探测目标反射光束，经表面微纳结构对不同入瞳视场的激光进行光束相位调制。
所述的平面微纳结构透镜可针对不同的激光系统工作波长，进行单元结构的优化匹配设计。
所述反射系统由平凹球面反射镜构成，凹球面镀反射膜层，将来自平前端系统的激光反射聚焦在探测像面上。
所述激光探测器由成像CCD、图像处理及传输模块构成，将经平面微纳结构透镜和反射系统的聚焦光束进行图像处理和传输，实现空间信号和地面基站的信息交互。
本发明提供的利用平面微纳结构透镜实现大凝视视场探测的激光成像光学系统，采用亚波长微纳结构，实现高性能空间激光成像探测，具有以下有益效果：
1、该系统采用了平面微纳结构透镜的光束调制功能，提高系统凝视视场角度范围，可增加非扫描式空间激光探测系统地面探测幅宽，提升系统对地成像分辨率。
2、系统凝视视场角度的增加，对于扫描式空间激光探测系统，同一轨道高度获得相同地面探测幅宽需要的机械扫描角度减小，降低扫描步进系统性能要求，同时提升系统对地成像分辨率。
3、该系统采用平面和标准球面光学元件，替换传统非球面及复杂曲率半径球面光学元件，减少元件制备加工难度，降低系统复杂度，具有低成本、轻量化、集成化等特点。
附图说明
图1为本发明实施例提供的利用平面微纳结构透镜实现大凝视视场探测的激光成像光学系统的结构示意图；
图2为本发明实施例中平面微纳结构透镜结构示意图；
图3为满足实施例中系统需求的平面微纳结构透镜单元结构示意图；
图4为满足实施例中平面微纳结构透镜空间排布方式示意图；
图5为实施例MTF曲线；
图6为实施例场曲和畸变。
图中：1为平面微纳结构透镜，2为球面反射镜，3激光探测器。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施列对本发明内容进行详细说明。
本发明的目的是提供一种利用平面微纳结构透镜实现大凝视视场探测的激光成像光学系统，该系具有凝视视场大、成像分辨率高、轻量化、系统加工制备难度低等特点。
本发明提供的利用平面微纳结构透镜实现大凝视视场探测的激光成像光学系统，如图1所示。系统组成包括：平面微纳结构透镜1，球面反射镜2和激光探测器3；其中，平面微纳结构透镜1接收探测目标反射光束，经其表面微纳结构对不同入瞳视场的激光进行光束相位调制传输到球面反射镜2，球面反射镜2对光束进行反射，最终聚焦到激光探测器3像面上。
本发明提供的激光成像系统的入瞳光学器件采用平面微纳结构透镜，其结构示意图如图2所示。a面为沿光线传输方向面，b面为入瞳光线入射面。
本发明提供的平面微纳结构透镜设计原理是基于超表面平面透镜，通过表面微纳结构单元结构的旋向和空间排布实现对传输光束的相位调制，实现光束偏折，超表面光束相移φ(x,y)为：
Figure BDA0002942467340000031
其中，m为任意整数；f为焦距；λ为入射平面波波长；(x,y)为二维平面内坐标。
本发明提供的平面微纳结构透镜表面单元在x,y平面呈二维平面分布，微纳结构单元尺寸由入射波长及系统口径决定，最小单元尺寸在亚微米到微米量级之间。
本发明实施例中，激光探测器3均采用目前实际应用中较成熟技术，在此不在赘述其结构形式，例如激光探测器3可采用美国Thorlabs公司生产的S805MU1光电探测器。
本发明实施例中，平面微纳结构透镜设计原理采用通过波导效应来实现基于传输相位亚波长衍射结构的相位积累，单元结构相位由φs＝2π·neff·H·λd决定，其中，neff为有效折射率；H单元结构高度；λd为入射单元结构波长。平面微纳结构透镜基底材料选取康宁C79-80基板，微纳单元结构为TiO2介质材料，通过优化设计结构单元参数，匹配对入射波长λd的2π相位覆盖，在此基础上选取高透射率的单元结构实现高效率相位调制。微纳结构单元示意图，如图3所示。实施例中利用16个单元结构实现2π相位覆盖，结构周期参数P为350nm，高度h为800nm，结构尺寸参数w从小到大依次为91nm、106nm、118nm、128nm、137nm、145nm、152nm、158nm、165nm、171nm、178nm、184nm、191nm、198nm、205nm、213nm，单元结构尺寸通过设计沿入射方向透镜表面外侧单元结构的属性和空间排布，如图4所示。可通过相位分布对入射光进行操控和调制，实现系统成像需求。
本发明实施例中，利用平面微纳结构透镜实现大凝视视场探测的激光成像光学系统的性能参数为：激光工作波长532nm±10nm，峰值波长532.8nm；凝视视场角范围3°；系统入瞳口径2m；平面微纳结构透镜有效图形区尺寸2m，透镜厚度10mm，材料康宁C79-80；球面反射镜口径2.2m，曲面半径8m，材料石英，凹球面镀反射铝膜，镀SiO2保护膜；系统采用伸展机构，压缩比可达10：1；像质评价以MTF为标准，成像质量评价如图5和图6所示，在120lp/mm时MTF不低于0.7。
本发明实施例中，利用平面微纳结构透镜实现大凝视视场探测的激光成像光学系统可建立在空间凝视3°视场角对地探测成像，具有大视场、分辨率高、轻量化、集成化和成本低等优点。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的结构或者材料必须具有特定的方位、以特定的方位构造和设计，因此不能理解为对本发明的限制。
尽管已经参考本发明的典型实施例，具体示出和描述了本发明，但本领域普通技术人员应当理解，在不脱离所附权利要求所限定的本发明范围的情况下，可以对这些实施例进行形式和细节上的多种改变，以上均属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种利用平面微纳结构透镜实现大凝视视场探测的激光成像光学系统，其特征在于，包括：单面平面微纳结构透镜（1），平凹球面反射镜（2）和激光探测器（3）；
所述单面平面微纳结构透镜（1）接收探测目标反射光束，经其表面微纳结构对不同入瞳视场的激光进行光束相位调制传输到平凹球面反射镜（2），平凹球面反射镜（2）对光束进行反射，直接聚焦到激光探测器（3）像面上，单面平面微纳结构透镜（1）通过表面微纳结构单元结构的旋向和空间排布实现对传输光束的相位调制。
2.如权利要求1所述的激光成像光学系统，其特征在于，可应用于空间激光探测成像系统，根据系统需求不同，可应用于扫描式和非扫描式系统。
3.如权利要求2所述的激光成像光学系统，其特征在于，所述单面平面微纳结构透镜（1）根据系统口径、视场和分辨率要求匹配不同单元结构特征尺寸和空间分布。
4.如权利要求1所述的激光成像光学系统，其特征在于，入瞳光学器件采用单面平面微纳结构透镜（1），通过设计沿入射方向透镜表面外侧单元结构的属性和空间排布，可对操控任意入射光和反射光相位分布，实现成像。
5. 如权利要求2所述的激光成像光学系统，其特征在于，所述单面平面微纳结构透镜（1）表面单元，单元结构在x , y平面呈二维平面分布，微纳结构单元尺寸由入射波长及系统口径决定，最小单元尺寸在亚微米到微米量级之间。
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