CN112987203A - 超表面透镜与探测器一体集成的红外光学系统及制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种超表面透镜与探测器一体集成的红外光学系统，包括沿光入射方向依次同轴设置的超表面透镜、光阑和成像探测器焦平面阵列，并封装集成在杜瓦中；超表面透镜由衬底和微纳结构的阵列构成，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；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；该相位分布根据超表面透镜的成像要求所得到的校正后的相位分布来匹配确定。本发明还提供相应的制作方法。本发明的超表面透镜与探测器一体集成的红外光学系统利用超表面透镜取代现有红外光学系统中的成像透镜组及探测器的窗口片，实现一体集成封装，从而实现了红外光学系统的轻量化。

Description

超表面透镜与探测器一体集成的红外光学系统及制作方法

技术领域

本发明属于微纳光学及光学成像领域，尤其涉及一种超表面透镜与探测器一体集成的红外光学系统及制作方法。

背景技术

红外光学系统通常工作于中短波红外和长波红外等大气窗口，得益于其环境适应性好、抗干扰能力强等优势，已广泛应用于遥感成像和军事侦察中。

现有的红外光学系统通常采用多片透镜组合形成透镜组的方式来校正像差和色差，红外光经透镜组后进入红外探测器进行成像。申请号为CN201710310583.1发明专利文件公开了一种四片式中波红外光学系统，如图1所示，所述系统包括：按照光线入射的方向，从前到后依次为球面锗透镜101、非球面锗透镜102、球面硅透镜103和非球面硒化锌透镜104，且四者的光轴在同一水平线上；还包括制冷探测器105。申请号为CN201811512495.0的发明专利文件公开了一种中短波宽波段红外光学系统，如图2所示，所述系统包括：自物方到像方沿光轴依次排列为第一透镜201、第二透镜202、第三透镜203、第四透镜204，第一透镜201为正光焦度透镜，第二透镜202为负光焦度透镜，第三透镜203为负光焦度透镜，第四透镜204为正光焦度透镜；205为红外探测器，2051为焦平面探测器窗口，2052为焦平面探测器光阑，2053为成像探测器焦平面阵列。

现有红外光学系统存在以下诸多不足之处：(1)透镜数量多且透镜组与探测器分离使得系统装调校准难度大；(2)透镜数量多有较多能量损耗、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)透镜数量多且透镜组与探测器分离使得系统体积大、重量大，无法满足军事装备和遥感卫星轻量化的要求。

目前已经存在一系列具有微纳结构超表面的光学镜片来克服传统的红外光学系统所需的透镜数量多的缺点，例如，申请号为202010069416.4的专利文件所公开的柔性遥感卫星光学镜片及其制作方法、申请号为202010069442.7的专利文件所公开的柔性手机摄像头光学镜片及其制作方法，等等。然而，现有的微纳结构超表面的光学镜片仍然具有以下几方面的问题：

在现有的已经公开的具有微纳结构超表面的光学镜片中，超表面透镜与探测器都是分立的，取代光学系统中在探测器前面的成像透镜组，但没有取代探测器中的组件。因此，需要设计一种超表面透镜与探测器是一体集成的光学系统，来不仅取代光学系统中在探测器前面的成像透镜组，同时也取代了探测器中的窗口片，从而将超表面透镜与探测器一体集成。

此外，目前的超表面的光学镜片往往只能实现离轴消像差聚焦或者只能实现宽频光消色差聚焦功能，而不能同时实现离轴消像差聚焦和宽频消色差聚焦功能。例如，在申请号为202010069416.4的“柔性遥感卫星光学镜片及其制作方法”和申请号为202010069442.7的“柔性手机摄像头光学镜片及其制作方法”这两个专利中，超表面的功能为单频光正入射聚焦和斜入射校正离轴像差的聚焦，并相应阐述了离轴消像差优化方法，但不涉及到宽频光消色差聚焦功能，在申请号为202011350345.1的“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”和申请号为202011350398.3的“紫外和可见光共透镜双光路成像探测系统及其制作方法”这两个专利中，超表面的功能为双波段消色差聚焦，并相应阐述了消色差优化方法，但不涉及到离轴消像差聚焦功能。

发明内容

本发明的目的是提供一种超表面透镜与探测器一体集成的红外光学系统及制作方法，以实现红外光学系统的轻量化。

为了实现上述目的，本发明提供了一种一种超表面透镜与探测器一体集成的红外光学系统，包括沿光入射方向依次同轴设置的至少一个超表面透镜、光阑和成像探测器焦平面阵列，并封装集成在一杜瓦中；所述超表面透镜由衬底和设于所述衬底的至少一个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；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成像要求所得到的校正后的相位分布来匹配确定，使得对超表面透镜的任意一个位置，工作波段中的不同波长的电磁波经过该微纳结构后获得的相位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；所述差值等于或近似于0或2π的整数倍，是指所述差值与最接近的0或2π的整数倍的平均差值至多为π/2。

所述超表面透镜为单片双面的超表面透镜、单片单面的超表面透镜、多片单面的超表面透镜或多片双面的超表面透镜。

所述红外光学系统的工作波段是单独的短波红外、中波红外或长波红外，或者包括短波红外和中波红外，或者同时包括部分中波红外和部分长波红外。

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；所述超表面透镜的厚度为百微米至毫米量级，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为工作波段的最短波长，λ₂为工作波段的最长波长，n为超表面透镜材料的折射率。

所述超表面透镜的材料包括硅、锗、硒化锌、硫化锌、氟化钙、氟化镁、氟化钡和砷化镓，且所述超表面透镜采用CMOS工艺来制备得到。

所述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；所述成像要求是对单频光斜入射时的消离轴像差成像要求和/或对宽频光的消色差成像要求。

所述超表面透镜为单片双面的超表面透镜，且所述成像要求是对单频光斜入射时的消离轴像差成像要求和对宽频光的消色差成像要求；校正后的相位分布通过以下方法来确定：

S1’：根据超表面透镜与探测器一体集成的红外光学系统的口径、焦距和工作波段，获取工作波段的每个波长下的超表面透镜的背面的理想相位分布以使其满足单频光正入射时的聚焦功能；

S2’：通过在超表面透镜的正面和背面的相位分布中均增加校正项，获取满足消离轴像差成像要求的超表面透镜的正面和背面的相位分布；

S3’：对所述步骤S2’得到的超表面透镜的正面和背面的相位分布分别引入与波长相关的附加相位因子，根据经过优化的附加相位因子得到同时满足消离轴像差成像要求和消色差成像要求的校正后的相位分布。

另一方面，本发明提供一种超表面透镜与探测器一体集成的红外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至少一个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；确定超表面透镜的微纳结构共同的高度和指向角度，以使得各微纳结构具有相同的高度和指向角度；

S2：根据红外光学系统的需求确定超表面透镜的口径、焦距、工作波段；随后根据超表面透镜的成像要求来确定超表面透镜的校正后的相位分布；

S3：根据所述步骤S2中的校正后的相位分布来匹配确定电磁波经过各微纳结构后的相位分布，使得对超表面透镜的任意一个位置，工作波段中的不同波长的电磁波经过该微纳结构后获得的相位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；所述差值等于或近似于0或2π的整数倍，是指所述差值与最接近的0或2π的整数倍的平均差值至多为π/2；并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匹配的超表面透镜的各微纳结构的横截面尺寸的设计值。

S4：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、一光阑、一成像探测器焦平面阵列，并封装集成在一杜瓦中，以形成紧凑型共光路共焦红外双波段光学系统。

所述步骤S1还包括：根据本发明的红外光学系统的工作波段，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。

所述超表面透镜为单片双面的超表面透镜，且所述成像要求是对单频光斜入射时的消离轴像差成像要求和对宽频光的消色差成像要求；校正后的相位分布通过以下方法来确定：

S1’：根据超表面透镜与探测器一体集成的红外光学系统的口径、焦距和工作波段，获取工作波段的每个波长下的超表面透镜的背面的理想相位分布以使其满足单频光正入射时的聚焦功能；

S2’：通过在超表面透镜的正面和背面的相位分布中均增加校正项，获取满足消离轴像差成像要求的超表面透镜的正面和背面的相位分布；

S3’：对所述步骤S2’得到的超表面透镜的正面和背面的相位分布分别引入与波长相关的附加相位因子，根据经过优化的附加相位因子得到同时满足消离轴像差成像要求和消色差成像要求的校正后的相位分布。

本发明的超表面透镜与探测器一体集成的红外光学系统利用超表面透镜取代现有红外光学系统中的成像透镜组及探测器的窗口片，实现超表面透镜与探测器的一体集成封装方案，从而显著减小红外光学系统的体积和重量，降低装调校准难度，降低系统成本，为红外光学系统的轻量化提供了有效解决方案。

此外，本发明的超表面透镜与探测器一体集成的红外光学系统通过超表面透镜的成像要求包括对单频光斜入射时的消离轴像差成像要求和对宽频光的消色差成像要求，并采用了相应的优化方法，来使得本发明的红外光学系统的超表面透镜同时实现离轴消像差聚焦和宽频消色差聚焦功能。

附图说明

图1是发明专利文件CN201710310583.1的光学系统的结构示意图。

图2是发明专利文件CN201811512495.0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超表面透镜与探测器一体集成的红外光学系统的结构示意图。

图4A-图4B分别是根据本发明的一个实施例的超表面透镜与探测器一体集成的红外光学系统的超表面透镜的正面微纳结构和背面微纳结构的整体示意图，其中图4A示出了正面微纳结构超表面，图4B示出了背面微纳结构超表面。

图5是本实施例的光学系统中的超表面透镜的单个微纳结构的俯视示意图。

图6A-图6F是根据本发明的一个实施例的超表面透镜与探测器一体集成的红外光学系统的超表面透镜的工艺流程图。

具体实施方式

下面结合附图，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述。

如图3所示为根据本发明的一个实施例的超表面透镜与探测器一体集成的红外光学系统的结构示意图，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1、2、3、光阑4和成像探测器焦平面阵列5，并且超表面透镜1、2、3、光阑4和成像探测器焦平面阵列5封装集成在一杜瓦6中。由此，所述超表面透镜位于成像探测器窗口处，取代现有红外光学系统的探测器窗口片，且在功能上取代现有红外光学系统的成像透镜组。红外光学系统的红外光的光源是被探测物体的红外热辐射，位置在红外光学系统的前方，且物距较远(十米级至万米级)，从而物体红外热辐射的电磁波可被视为平行光。

在遥感成像的实际应用中，为了提高红外光学探测的信噪比，红外光学系统一般通过置于低温环境中来降低系统背景噪声，而低温需要真空环境，因此将上述光学元件封装在杜瓦中。杜瓦的作用是为探测器等光学元件提供真空环境和机械保护，也提供光、机、热、电等接口。本专利侧重光学系统，因此图3示出了本发明的超表面透镜与探测器一体集成的红外光学系统的光学元件，图中并未示出杜瓦6的机械结构和接口等。

光阑4设于超表面透镜1、2、3与成像探测器焦平面阵列5之间，其作用是抑制到达成像探测器焦平面阵列5的杂散光，光阑4的尺寸取决于成像探测器焦平面阵列5接收光的立体角及光阑4与成像探测器焦平面阵列5的距离。其中假设成像探测器焦平面阵列5接收光的立体角记为Ω×Ω，光阑4与成像探测器焦平面阵列5的距离记为d，光阑4的半径记为R，则三者之间的公式为

立体角可以取20°×20°至50°×50°，光阑与成像探测器焦平面阵列的距离可以取20mm至55mm。

所述成像探测器焦平面阵列5根据工作波段的需求采用中短波红外焦平面阵列或者长波红外焦平面阵列。

超表面透镜1、2、3由衬底1和分别设于衬底1的至少一个表面上的微纳结构超表面2、3构成，在本实施例中，所述超表面透镜1、2、3为单片双面的超表面透镜，其包括衬底1和分别设于衬底1的背面和正面的微纳结构超表面2、3，即背面微纳结构超表面2和正面微纳结构超表面3。此外，在其他实施例中，根据不同红外光学系统的具体带宽和视场角等需求，超表面透镜也可以采用(但不限于)单片单面的超表面透镜、多片单面的超表面透镜、多片双面的超表面透镜，来替代单片双面的超表面透镜，其中对于单面的超表面透镜，微纳结构超表面可以设置在正面或背面。不论超表面透镜采用了几片超表面透镜、采用的是单面还是双面的超表面透镜，其均属于本发明的超表面透镜与探测器一体集成的红外光学系统的其中一个实施例。

如图3-图5所示，微纳结构超表面2、3均由微纳结构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。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所示，所述微纳结构21的构型为圆柱。

在本实施例中，所述红外光学系统的工作波段为中短波红外波段(2.6-5μm)，视场角为±30°。超表面透镜的正面微纳结构超表面3的口径为1cm，其背面微纳结构超表面2的口径为2cm，超表面透镜的厚度为1mm，微纳结构超表面2、3的周期U为2.5μm，微纳结构超表面2、3的微纳结构21的高度H均为5μm，微纳结构21为圆柱型，微纳结构超表面2、3的材料为在中短波红外具有高折射率和高透过率的硅。

此外，在其他实施例中，所述红外光学系统的工作波段可以是单独的短波红外、中波红外或长波红外；也可以同时包括短波红外和中波红外，或者同时包括部分中波红外和部分长波红外，但是不能同时包括短波红外、中波红外和长波红外，因受限于材料和结构(难以找到在短波红外、中波红外和长波红外全波段同时具有高透过率的材料，也难以设计能调控如此大波段范围的结构。

所述超表面透镜的材料也可以采用在红外波段具有高折射率和高透过率(如透过率大于80％)的材料，包括但不限于硅(Si)、锗(Ge)、硒化锌(ZnSe)、硫化锌(ZnS)、氟化钙(CaF₂)、氟化镁(MgF₂)、氟化钡(BaF₂)、砷化镓(GaAs)，根据短波红外、中波红外和长波红外不同红外波段的需求采用对应的高透过率材料。所述超表面透镜可采用但不限于CMOS工艺来制备得到。超表面透镜的厚度取决于常规的双抛硅晶圆规格，厚度为百微米至毫米量级，可以是500μm、1mm、2mm等，即，超表面透镜的厚度可以为500μm-2mm。根据视场角需求，背面微纳结构超表面2的口径应大于正面微纳结构超表面3的口径；正面微纳结构超表面3的口径也可以是百微米至厘米量级，背面微纳结构超表面2的口径也可以是百微米至厘米量级。微纳结构超表面2、3的周期U的范围为λ₂/n至λ₁(λ₁为工作波段的最短波长，λ₂为工作波段的最长波长，n为超表面透镜材料的折射率)，即周期U可以取1.5-2.6μm范围；微纳结构21的高度H可取λ₂/2至2λ₂，即2.5-10μm范围，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。

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)，横截面尺寸D可取0.1U至0.9U，其中，λ₂为工作波段的最长波长，U为周期。

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后的相位分布根据超表面透镜的成像要求所得到的校正后的相位分布来匹配确定，使得对超表面透镜的任意一个位置，工作波段中的不同波长的电磁波经过该微纳结构21后获得的相位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，所述差值等于或近似于0或2π的整数倍，是指所述差值与最接近的0或2π的整数倍的平均差值至多为π/2。所述成像要求是对单频光斜入射时的消离轴像差成像要求(即电磁波在不同入射角下都能聚焦到同个焦平面上)和/或对宽频光的消色差成像要求(不同波长的电磁波能聚焦到同个焦点)。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。

在本实施例中，超表面透镜1、2、3为单片双面的超表面透镜，且超表面透镜的成像要求是对单频光斜入射时的消离轴像差成像要求和对宽频光的消色差成像要求。同时实现消离轴像差和消色差成像要求是指不同入射角不同波长的电磁波都聚焦到同个焦平面上。

因此，校正后的相位分布通过大致以下方法来确定：

首先，获取工作波段的每个波长下的超表面透镜的理想相位分布，以使其满足单频光正入射时的聚焦功能；

其次，获取超表面透镜的正面和背面的相位分布，以满足消离轴像差成像要求；其中，在超表面透镜的正面和背面的相位分布中均增加校正项，以对单频光斜入射时的离轴像差进行校正，进而满足消离轴像差成像要求。

最后，在已满足消像差设计的双面超表面透镜基础之上引入与波长相关的附加相位因子来对宽频光的色差进行校正，得到同时满足消离轴像差成像要求和消色差成像要求的校正后的相位分布。

具体来说，校正后的相位分布具体通过以下方法来确定：

步骤S1’：根据超表面透镜与探测器一体集成的红外光学系统的口径、焦距和工作波段，获取工作波段的每个波长下的超表面透镜的背面的理想相位分布以使其满足单频光正入射时的聚焦功能；

其中，对于超表面透镜上的每一个位置r，工作波段中的不同波长λ_i的电磁波经过该微纳结构21后获得的相位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，超表面透镜的背面的理想相位分布为：

其中，r为超表面透镜上的空间位置坐标，λ为波长，f为超表面透镜的焦距。由此，可使正入射的单频光会聚成焦点。

考虑到工作波段可拆分为N个分立波长：λ₁、λ₂、……、λ_N，分别对于每个波长的光，工作波段的每个波长下的超表面透镜相位分布应该分别满足：

其中，λ_k为工作波段中的波长。由此，可满足其正入射下的光会聚到焦距同为f的同个焦平面处。

步骤S2’：获取满足消离轴像差成像要求的超表面透镜的正面和背面的相位分布；其中，通过在超表面透镜的正面和背面的相位分布中均增加校正项，以对单频光斜入射时的离轴像差进行校正，从而满足消离轴像差成像要求。

当考虑斜入射时，由于离轴光源与轴上光源到达焦平面处的光程差不相等，会产生离轴像差。为了校正离轴像差，引入双面的超表面透镜，即同时设计超表面透镜的正面和背面的相位分布。

在所述步骤S2’中，对于每个波长λ₁、λ₂、……、λ_N，分别设计超表面透镜的正面和背面的相位分布。

对于每个波长(例如工作波段的第k个波长λ_k(k＝1,2,…,N)，获取满足消离轴像差成像要求的超表面透镜的正面和背面的相位分布的步骤如下：

步骤S21’：获取超表面透镜的正面的相位分布；

超表面透镜的正面的相位分布为：

其中，A_i-λk为正面校正系数，rA为超表面透镜的正面的空间位置坐标，RA为超表面透镜的正面的半径，i＝1,2,…,n，n为校正项数目。

步骤S22’：获取超表面透镜的背面的相位分布；

双面超表面的背面的相位分布为：

其中，B_i-λk为背面校正系数，rB为超表面透镜的背面的空间位置坐标，RB为超表面透镜正面的半径，i＝1,2,…,n，n为校正项数目。

步骤S23’：通过遗传算法和粒子群算法优化校正系数A_i-λ1和B_t-λ1(i＝1,2,…,n)。

优化完成后，对于波长λ₁的光在正入射和斜入射下，均可聚焦到焦距为f处的同个焦平面上。

例如，对于波长λ₁，设计超表面透镜的正面和背面的相位分布，

超表面透镜的正面的相位分布为：

双面超表面的背面的相位分布为：

通过遗传算法和粒子群算法优化校正系数A_i-λ1和B_i-λ1(i＝1,2,…,n)，使得波长λ₂的光在正入射和斜入射下，均可聚焦到焦距为f处的同个焦平面上。

类似地，对于波长λ₂，设计超表面透镜的正面和背面的相位分布的步骤同上，双面超表面的正面相位分布为：

超表面透镜的背面的相位分布为：

通过遗传算法和粒子群算法优化校正系数A_i-λ2和B_i-λ2(i＝1,2,…,n)，使得波长λ₂的光在正入射和斜入射下，均可聚焦到焦距为f处的同个焦平面上。

……

对于波长λ_N，方法同上，双面超表面的正面相位分布为：

超表面透镜的背面的相位分布为：

通过遗传算法和粒子群算法优化校正系数A_i-λN和B_i-λN(i＝1,2,…,n)，使得波长λ_N的光在正入射和斜入射下，均可聚焦到同个焦平面上。

步骤S3’：对所述步骤S2’得到的超表面透镜的正面和背面的相位分布分别引入与波长相关的附加相位因子，并对附加相位因子进行优化，以对宽频光的色差进行校正，根据经过优化的附加相位因子得到同时满足消离轴像差成像要求和消色差成像要求的校正后的相位分布。

在步骤S2’已完成上述消像差基础之上，在步骤S3’需要校正不同波长的光入射时的色差。

对于超表面透镜的正面，若能在其正面设计合适的超表面微纳结构分布，使得波长λ₁的光经过该正面超表面后的相位满足

波长λ₂的光经过该正面超表面后的相位满足

对于波长λ_N的光经过该正面超表面后的相位满足

那么则满足了不同波长和不同入射角度下的要求。然而，通常无法直接在微纳结构参数空间中匹配到合适的微纳结构参数，使其同时满足正面超表面上述N个波长的相位要求。因此，通过对超表面透镜的正面的相位分布引入附加相位因子来同时满足消离轴像差成像要求和消色差成像要求。

因此，对超表面透镜的正面的相位分布引入与波长相关的附加相位因子，具体包括如下步骤：

步骤A31：对于工作波段中的每个波长λ_k，对超表面透镜的正面的相位分布中的每个位置的相位都引入仅与该波长λ_k相关的一个附加相位因子C_A-λk，以得到校正的相位分布。

具体来说，对于波长λ₁，对超表面透镜的正面的相位分布中的每个位置的相位都引入仅与波长λ₁相关的一个附加相位因子C_A-λ1，则校正的相位分布为

由于超表面透镜的正面的相位分布中的每个位置都加了相同的附加相位因子C_A-λ1，因此各个位置之间的相对相位仍是保持不变的。对于波长λ₂，对超表面透镜的正面的相位分布中的每个位置都引入仅与波长λ₂相关的一个附加相位因子C_A-λ2，则校正的相位分布为

……对于波长λ_N，对超表面透镜的正面的相位分布中的每个位置都引入仅与波长λ_N相关的一个附加相位因子C_A-λN，则校正的相位分布为

步骤A32：通过遗传算法和粒子群算法来优化各个波长分别对应的附加相位因子C_A-λ1，C_A-λ2，……，C_A-λN，使得对超表面透镜的正面的任意一个位置而言，都能够从在微纳结构21的参数空间中匹配到相应的微纳结构参数(即微纳结构21的横截面尺寸D)，以使工作波段中的不同波长的电磁波经过该微纳结构21后获得的相位与该位置该波长下的校正的相位的差值等于或近似于0或2π的整数倍。由此，使得得到的微纳结构参数同时满足超表面透镜的正面的上述N个波长的校正后的相位要求。

同理，对于双面的超表面的背面，若能在其背面设计合适的超表面微纳结构分布，使得对于波长λ₁的光，经过该超表面透镜的背面后的相位满足

波长λ₂的光，经过该超表面透镜的背面后的相位满足

……，对于波长λ_N的光，经过该超表面透镜的背面后的相位满足

那么则满足了不同波长和不同入射角度下的要求。然而，通常无法直接在微纳结构参数空间中匹配到合适的微纳结构参数，使其同时满足超表面透镜的背面的上述N个波长的相位要求。因此，通过对超表面透镜的背面的相位分布引入附加相位因子来同时满足消离轴像差成像要求和消色差成像要求。

因此，对超表面透镜的背面的相位分布引入与波长相关的附加相位因子，具体包括如下步骤：

步骤B31：对于工作波段中的每个波长λ_k，对超表面透镜的背面的相位分布中的每个位置的相位都引入仅与该波长λ_k相关的一个附加相位因子C_A-λk，以得到校正的相位分布。

具体来说，对于波长λ₁，对超表面透镜的背面的相位分布中的每个位置的相位都引入仅与波长λ₁相关的一个附加相位因子C_B-λ1，则校正的相位分布为

由于超表面透镜的背面的每个位置都加了相同的附加相位因子C_B-λ1，那么各个位置之间的相对相位仍是保持不变的。对于波长λ₂，对超表面透镜的背面的相位分布中的每个位置都引入仅与波长λ₂相关的一个附加相位因子C_B-λ2，则校正的相位分布为

……对于波长λ_N，对超表面透镜的背面的相位分布中的每个位置都引入仅与波长λ_N相关的一个相位因子C_B-λN，则校正的相位分布为

步骤B32：通过遗传算法和粒子群算法来优化各个波长分别对应的附加相位因子C_B-λ1，C_B-λ2，……，C_B-λN，使得对超表面透镜的背面的任意一个位置而言，都能够从在微纳结构21的参数空间中匹配到相应的微纳结构参数(即微纳结构21的横截面尺寸D)，以使工作波段中的不同波长的电磁波经过该微纳结构21后获得的相位与该位置该波长下的校正的相位的差值等于或近似于0或2π的整数倍。由此，使得得到的微纳结构参数同时满足超表面透镜的背面的上述N个波长的校正后的相位要求。

下面给出遗传算法和粒子群算法来优化附加相位因子(或校正项)的一个示例，其中，假设附加相位因子为相位因子C(λ_i)。

具体包括以下步骤：

步骤C1：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(λ_i)，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(λ_i)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

加减整数倍的2π后压缩入0到2π范围内，记为校正相位

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λ_i的电磁波通过该微纳结构21后的相位

与该位置该波长下的校正相位

的差值的绝对值

N表示该微纳结构21的参数在参数空间中的序号，将

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

找到使得总相位差

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

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

对所有位置

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

随后，对于这一群粒子，每个粒子对应一个适应度值

从所有适应度值

中选取的最小值即为这一群粒子的当前的最佳适应度值

最佳适应度值

对应的相位因子C(λ_i)即为当前的相位因子最优解C_best(λ_i)(即最佳的相位因子)。

步骤C2：进行一轮迭代，即对粒子群中每个粒子的C(λ_i)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(λ_i)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(λ_i)相关部分)，以改变后的相位因子最优解C(λ_i)重复步骤S31，得到该代的最佳适应度值

以及相应的最优解C_best(λ_i)。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C_best(λ_i)作为新的历史最优解。

步骤C3：重复步骤C2数十次至数百次，以得到最优适应度值和相位因子最优解C(λ_i)。

由此，得到的相位因子最优解C(λ_i)就是经过优化的附加相位因子(或校正项)。

由此，通过上述步骤S1’-步骤S3’，得到同时满足消离轴像差成像要求和消色差成像要求的校正后的相位分布，使得从波长λ₁到波长λ_N整个目标波段的光在正入射和斜入射下均可聚焦到同个焦平面上。

基于上述的超表面透镜与探测器一体集成的红外光学系统，以及根据上述设计方法，所述实现的超表面透镜与探测器一体集成的红外光学系统的制作方法，包括：

步骤S1：设计一由衬底1和设于所述衬底1的至少一个表面上的微纳结构超表面2、3构成的超表面透镜，所述微纳结构超表面2、3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；

此外，所述步骤S1还包括：根据本发明的红外光学系统的工作波段，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：根据红外光学系统的需求确定超表面透镜的口径、焦距、工作波段；随后根据超表面透镜的成像要求来确定超表面透镜的校正后的相位分布。

在本实施例中，超表面透镜1、2、3为单片双面的超表面透镜，且超表面透镜的成像要求是对单频光斜入射时的消离轴像差成像要求和对宽频光的消色差成像要求。因此，确定电磁波经过各微纳结构21后的相位分布的方法如上文所述，在此不再赘述。

步骤S3：根据所述步骤S2中的校正后的相位分布来匹配确定电磁波经过各微纳结构21后的相位分布，使得对超表面透镜的任意一个位置，工作波段中的不同波长的电磁波经过该微纳结构(21)后获得的相位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；所述差值等于或近似于0或2π的整数倍，是指所述差值与最接近的0或2π的整数倍的平均差值至多为π/2；并且，微纳结构21的参数空间和所确定的电磁波经过各微纳结构21后的相位分布确定匹配的超表面透镜的各微纳结构21的横截面尺寸的设计值。

具体的匹配步骤为：将校正的相位分布加减整数倍2π后压缩入0到2π范围内，记为校正相位

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λ_k的电磁波通过该微纳结构21后的相位

与该位置该波长下的校正相位

的相位差的绝对值

N表示该微纳结构参数在参数空间中的序号，将

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

找到使得总相位差

最小的这个微纳结构参数N作为匹配的超表面透镜位置r处的微纳结构参数的设计值。

步骤S4：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1、2、3、一光阑4、一成像探测器焦平面阵列5，并封装集成在一杜瓦6中，以形成紧凑型共光路共焦红外双波段光学系统。其中，成像探测器焦平面阵列5设置于所述超表面透镜的焦平面上。

在本实施例中，如图6A-图6E所示，超表面透镜1、2、3基于硅晶圆采用CMOS工艺来制备。制作超表面透镜，其工艺过程为：

步骤S41：在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，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S41分为以下几步：

步骤S411：如图6B所示，对晶圆301进行热氧化，生成氧化层302用于后续作为硬掩模；

在本实施例中，晶圆301为硅晶圆，氧化层302为SiO₂氧化层。在其他实施例中，晶圆301的材料也可以采用在红外波段具有高折射率和高透过率(如透过率大于80％)的材料，包括但不限于硅(Si)、锗(Ge)、硒化锌(ZnSe)、硫化锌(ZnS)、氟化钙(CaF₂)、氟化镁(MgF₂)、氟化钡(BaF₂)、砷化镓(GaAs)，根据短波红外、中波红外和长波红外不同红外波段的需求采用对应的高透过率材料。

步骤S412：在氧化层302上旋涂光刻胶303；

步骤S413：如图6C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3031的横截面尺寸与超表面透镜的各微纳结构21的横截面尺寸的设计值相同，光刻胶303的其余部分为可溶光刻胶3032；在本实施例中，采用的光刻胶是正胶，因此可溶光刻胶3032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S414：如图6D所示，进行显影以溶解可溶光刻胶3032。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S42：进行刻蚀工艺，分为以下几步：

步骤S421：如图6E所示，通过反应离子刻蚀(RIE)技术对氧化层302进行刻蚀，形成硬掩模304；在此过程中，不可溶光刻胶3031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3031、留下SiO₂硬掩膜。

步骤S422：如图6F所示，通过深硅刻蚀(ICP)技术对晶圆301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。其中，超表面透镜的衬底1即硅晶圆的主体部分，微纳结构超表面2、3即刻蚀后得到的硅晶圆的表面结构。

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。即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)

1.一种超表面透镜与探测器一体集成的红外光学系统，其特征在于，包括沿光入射方向依次同轴设置的至少一个超表面透镜(1、2、3)、光阑(4)和成像探测器焦平面阵列(5)，并封装集成在一杜瓦(6)中；所述超表面透镜(1、2、3)由衬底(1)和设于所述衬底(1)的至少一个表面上的微纳结构超表面(2、3)构成，所述微纳结构超表面(2、3)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成像要求所得到的校正后的相位分布来匹配确定，使得对超表面透镜的任意一个位置，工作波段中的不同波长的电磁波经过该微纳结构(21)后获得的相位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；所述差值等于或近似于0或2π的整数倍，是指所述差值与最接近的0或2π的整数倍的平均差值至多为π/2。

2.根据权利要求1所述的超表面透镜与探测器一体集成的红外光学系统，其特征在于，所述超表面透镜(1、2、3)为单片双面的超表面透镜、单片单面的超表面透镜、多片单面的超表面透镜或多片双面的超表面透镜。

3.根据权利要求1所述的超表面透镜与探测器一体集成的红外光学系统，其特征在于，所述红外光学系统的工作波段是单独的短波红外、中波红外或长波红外，或者包括短波红外和中波红外，或者同时包括部分中波红外和部分长波红外。

4.根据权利要求1所述的超表面透镜与探测器一体集成的红外光学系统，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；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为工作波段的最短波长，λ₂为工作波段的最长波长，n为超表面透镜材料的折射率。

5.根据权利要求1所述的超表面透镜与探测器一体集成的红外光学系统，其特征在于，所述超表面透镜的材料包括硅、锗、硒化锌、硫化锌、氟化钙、氟化镁、氟化钡和砷化镓，且所述超表面透镜采用CMOS工艺来制备得到。

6.根据权利要求1所述的超表面透镜与探测器一体集成的红外光学系统，其特征在于，所述微纳结构(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；所述成像要求是对单频光斜入射时的消离轴像差成像要求和/或对宽频光的消色差成像要求。

7.根据权利要求6所述的超表面透镜与探测器一体集成的红外光学系统，其特征在于，所述超表面透镜为单片双面的超表面透镜，且所述成像要求是对单频光斜入射时的消离轴像差成像要求和对宽频光的消色差成像要求；

校正后的相位分布通过以下方法来确定：

步骤S1’：根据超表面透镜与探测器一体集成的红外光学系统的口径、焦距和工作波段，获取工作波段的每个波长下的超表面透镜的背面的理想相位分布以使其满足单频光正入射时的聚焦功能；

步骤S2’：通过在超表面透镜的正面和背面的相位分布中均增加校正项，获取满足消离轴像差成像要求的超表面透镜的正面和背面的相位分布；

步骤S3’：对所述步骤S2’得到的超表面透镜的正面和背面的相位分布分别引入与波长相关的附加相位因子，根据经过优化的附加相位因子得到同时满足消离轴像差成像要求和消色差成像要求的校正后的相位分布。

8.一种超表面透镜与探测器一体集成的红外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)的至少一个表面上的微纳结构超表面(2、3)构成的超表面透镜，所述微纳结构超表面(2、3)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；

步骤S2：根据红外光学系统的需求确定超表面透镜的口径、焦距、工作波段；随后根据超表面透镜的成像要求来确定超表面透镜的校正后的相位分布；

步骤S3：根据所述步骤S2中的校正后的相位分布来匹配确定电磁波经过各微纳结构(21)后的相位分布，使得对超表面透镜的任意一个位置，工作波段中的不同波长的电磁波经过该微纳结构(21)后获得的相位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；所述差值等于或近似于0或2π的整数倍，是指所述差值与最接近的0或2π的整数倍的平均差值至多为π/2；并基于微纳结构(21)的参数空间和电磁波经过各微纳结构(21)后的相位分布确定匹配的超表面透镜的各微纳结构(21)的横截面尺寸的设计值；

步骤S4：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(1、2、3)、一光阑(4)和一成像探测器焦平面阵列(5)，并封装集成在一杜瓦(6)中，以形成紧凑型共光路共焦红外双波段光学系统。

9.根据权利要求8所述的超表面透镜与探测器一体集成的红外光学系统的制作方法，其特征在于，所述步骤S1还包括：根据本发明的红外光学系统的工作波段，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。

10.根据权利要求8所述的超表面透镜与探测器一体集成的红外光学系统的制作方法，其特征在于，所述超表面透镜为单片双面的超表面透镜，且所述成像要求是对单频光斜入射时的消离轴像差成像要求和对宽频光的消色差成像要求；

校正后的相位分布通过以下方法来确定：

步骤S1’：根据超表面透镜与探测器一体集成的红外光学系统的口径、焦距和工作波段，获取工作波段的每个波长下的超表面透镜的背面的理想相位分布以使其满足单频光正入射时的聚焦功能；

步骤S2’：通过在超表面透镜的正面和背面的相位分布中均增加校正项，获取满足消离轴像差成像要求的超表面透镜的正面和背面的相位分布；

步骤S3’：对所述步骤S2’得到的超表面透镜的正面和背面的相位分布分别引入与波长相关的附加相位因子，根据经过优化的附加相位因子得到同时满足消离轴像差成像要求和消色差成像要求的校正后的相位分布。

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