CN113866857B - 一种基于非晶硅超构表面的轻量化红外制导镜头 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于非晶硅超构表面的轻量化红外制导镜头，包括：衬底层；亚波长光栅，所述亚波长光栅为多个，且多个所述亚波长光栅以阵列形式设置于所述衬底层的同侧表面；所述亚波长光栅呈圆柱状，每一所述亚波长光栅的尺寸由第一方法确定，以使所述基于非晶硅超构表面的轻量化红外制导镜头能够对3μm‑5μm波长的中红外光施加传输相位。公开提供的一种基于非晶硅超构表面的轻量化红外制导镜头，可实现同一单元结构对中红外0到2π范围内任意的相位调制，并且保持较高的透射率或反射率。本公开用非晶硅超表面实现中红外光的聚焦成像，使得实时、高效率、集成化的红外制导模块成为可能，且结构简单。
Description
技术领域
本发明涉及红外制导领域，尤其涉及一种基于非晶硅超构表面的轻量化红外制导镜头。
背景技术
红外成像制导技术广泛应用在导弹、无人机等军民领域，具有隐蔽性好、全天候工作、穿云透雾、制导精度高等特点，由于当前红外成像制导镜头结构复杂、成本较高，在低成本、小口径的反坦克导弹、直升机或无人机载空空导弹等武器上应用存在限制，亟需轻量化、紧凑型、低成本的红外制导镜头。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种基于非晶硅超构表面的轻量化红外制导镜头，至少部分解决现有技术中存在的问题。
根据本公开的一个方面，提供一种基于非晶硅超构表面的轻量化红外制导镜头，包括：
衬底层；
亚波长光栅，所述亚波长光栅为多个，且多个所述亚波长光栅以阵列形式设置于所述衬底层的同侧表面；
所述亚波长光栅呈圆柱状，每一所述亚波长光栅的尺寸由第一方法确定，以使所述基于非晶硅超构表面的轻量化红外制导镜头能够对3μm-5μm波长的中红外光施加传输相位。
在本公开的一种示例性实施例中，每一所述亚波长光栅的高度均相等，所述亚波长光栅的高度为工作波长λ的0.75-1.1倍。
在本公开的一种示例性实施例中，每相邻两个所述亚波长光栅的中心距离相等，且所述中心距离小于所述工作波长的一半。
在本公开的一种示例性实施例中，每一所述亚波长光栅平行于所述衬底层的横截面具有对称性；
进一步地，每一所述亚波长光栅平行于所述衬底层的横截面为圆形，每一所述亚波长光栅的半径为所述工作波长λ的1/2-1/8。
在本公开的一种示例性实施例中，所述亚波长光栅，由折射率>2的介质制成；
进一步地，所述亚波长光栅由以下之一制成：硅、氮化硅、二氧化钛、磷化镓、氮化镓和砷化镓；
所述衬底层，由中红外透明材料制成；
进一步地，所述衬底层由以下之一制成：氟化钡、碲化锌。
在本公开的一种示例性实施例中，所述第一方法包括以下步骤：
构建相位基-光栅尺寸对应表；
确定所述亚波长光栅的数量和每一所述亚波长光栅的坐标；
根据所述轻量化红外制导镜头的工作波长λ、焦距f、直径D要求以及每一所述亚波长光栅的坐标，确定每一所述亚波长光栅的对应的最优相位基；
根据所述最优相位基和所述相位基-光栅尺寸对应表，确定每一所述亚波长光栅的尺寸。
在本公开的一种示例性实施例中，所述构建相位基-光栅尺寸对应表，包括：
根据工作波长λ，确定单个所述亚波长光栅在不同高度、中心距、长度和宽度的情况下，入射光的相位和透过率的调制情况，并将符合设定条件的光栅尺寸储存为数据库；
利用N阶线性相位均分0-360度相位，将N个相位和几何关系对应得到的N个相位基；
根据N个所述相位基、所述数据库和所述亚波长光栅的实际相位，确定所述相位基-光栅尺寸对应表。
在本公开的一种示例性实施例中，所述将符合设定条件的光栅尺寸储存为数据库，包括：
在相邻两亚波长光栅的中心距和各亚波长光栅的高度均保持不变的情况下，筛选出满足：对所述入射光的透过率接近于1、入射光相位调制范围为[0,2π]条件的所有亚波长光栅的长度、宽度范围，并存为数据库。
在本公开的一种示例性实施例中，根据N个所述相位基、所述数据库和所述亚波长光栅的实际相位，确定所述相位基-光栅尺寸对应表，包括：
在设定误差±360/N范围内遍历数据库中各数据以查找满足所述相位基要求的亚波长光栅尺寸；
根据亚波长光栅的实际相位与对应相位基中相位的最小方差确定对应的所述亚波长光栅的尺寸，得到所述相位基-光栅尺寸对应表；
其中，N为6-10的正整数。
在本公开的一种示例性实施例中，所述根据所述轻量化红外制导镜头的工作波长λ、焦距f、直径D要求以及每一所述亚波长光栅的坐标，确定每一所述亚波长光栅的对应的最优相位基，包括：
根据所述轻量化红外制导镜头的工作波长λ、焦距f、直径D要求，利用以下公式确定所述轻量化红外制导镜头直径范围内任意(x,y)坐标处的亚波长光栅的中红外目标相位
其中，-D/2≤x≤D/2，-D/2≤y≤D/2；
将转换为角度值后的模除以360，用得到的值分别更新/>根据±360/N的误差范围将更新后的/>转换为N阶相位基的目标相位；
根据每一所述亚波长光栅的坐标对应的目标相位，从所述相位基-光栅对应表中确定，每一所述亚波长光栅的坐标对应的最优相位基。
本公开提供一种基于非晶硅超构表面的轻量化红外制导镜头，在衬底层设置以阵列形式排布的柱状亚波长光栅，且通过第一方法对每一亚波长光栅的尺寸进行设计，从而得到一种基于非晶硅超构表面的轻量化红外制导镜头。该镜头可实现同一单元结构对中红外0到2π范围内任意的相位调制，并且保持较高的透射率或反射率。本公开用一个单元结构实现中红外的同时不同位置聚焦成像，有望克服聚焦效率理论阈值限制，使得实时、高效率、集成化的红外制导模块成为可能，且结构简单。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1是本发明实施例提供的一种基于非晶硅超构表面的轻量化红外制导镜头的侧视图；
图2是本发明实施例提供的一种基于非晶硅超构表面的轻量化红外制导镜头的俯视图；
图3是本发明实施例提供的一种基于非晶硅超构表面的轻量化红外制导镜头的光路示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。
需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合；并且，基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。
需要说明的是，下文描述在所附权利要求书的范围内的实施例的各种方面。应显而易见，本文中所描述的方面可体现于广泛多种形式中，且本文中所描述的任何特定结构及/或功能仅为说明性的。基于本公开，所属领域的技术人员应了解，本文中所描述的一个方面可与任何其它方面独立地实施，且可以各种方式组合这些方面中的两者或两者以上。举例来说，可使用本文中所阐述的任何数目个方面来实施设备及/或实践方法。另外，可使用除了本文中所阐述的方面中的一或多者之外的其它结构及/或功能性实施此设备及/或实践此方法。
请参考图1-图3本实施例提供一种基于非晶硅超构表面的轻量化红外制导镜头，包括：
衬底层102，该衬底层102呈片状结构，且由透射率大于80％的中红外透明材料制成。具体可以为氟化钡或碲化锌制成。实际实施时，可根据镜头的实际需求进行选择。
亚波长光栅101，所述亚波长光栅101为多个，且多个所述亚波长光栅101以阵列形式设置于所述衬底层102的同侧表面。多个亚波长光栅呈二维阵列排列，分别以平行于亚波长光栅阵列行和列的方向作为x轴和y轴，并以右手定则建立坐标系xyz，亚波长光栅101沿xy平面排布。亚波长光栅101具体可以设置为圆柱状，且相邻的亚波长光栅101的之间具有间隔，具体的间隔大小，根据每一亚波长光栅101的尺寸不同具有差异。每一所述亚波长光栅101的尺寸由第一方法确定，以使所述基于非晶硅超构表面的轻量化红外制导镜头能够对3um-5um波长的中红外光施加传输相位。其中，亚波长光栅101的尺寸包括光栅高度和光栅半径等。
本实施例中，所述亚波长光栅101，由折射率>2的介质制成；
进一步地，所述亚波长光栅101由以下之一制成：硅、氮化硅、二氧化钛、磷化镓、氮化镓和砷化镓。实际实施时，可根据镜头的实际需求进行选择。
本公开提供一种基于非晶硅超构表面的轻量化红外制导镜头，在衬底层102设置以阵列形式排布的柱状亚波长光栅101，且通过第一方法对每一亚波长光栅101的尺寸进行设计，从而得到一种基于非晶硅超构表面的轻量化红外制导镜头。该镜头可实现同一单元结构对中红外0到2π范围内任意的相位调制，并且保持较高的透射率或反射率。本公开用一个单元结构实现中红外的同时不同位置聚焦成像，有望克服聚焦效率理论阈值限制，使得实时、高效率、集成化的红外制导模块成为可能，且结构简单。通过本申请设计的各亚波长光栅101的半径实现对任意偏振光施加传输相位，通过设计各亚波长光栅101的半径实现中红外波长任意偏振光的聚焦，镜头厚度小于1mm,口径50mm时重量小于10g。使得本发明提供的镜头能够实现中红外光的聚焦成像。
在本公开的一种示例性实施例中，每一所述亚波长光栅101的高度均相等，所述亚波长光栅101的高度为工作波长λ的0.75-1.1倍。其中，工作波长λ指的是本公开提供的一种基于非晶硅超构表面的轻量化红外制导镜头能够是其在规定位置聚焦的光波的波长，即3um-5um波长的中红外光。本实施例中，亚波长光栅101的高度可以为工作波长λ的1倍。
在本公开的一种示例性实施例中，为了保证基于非晶硅超构表面的轻量化红外制导镜头的透光效果能达到超透镜的效果，对除了对亚波长光栅101的高度和半径进行限制外，还需要对亚波长光栅101的位置和形状等进行限定，具体为：每相邻两个所述亚波长光栅101的中心距离相等，且所述中心距离小于所述工作波长的一半。每一所述亚波长光栅101平行于所述衬底层102的横截面具有对称性。进一步地，每一所述亚波长光栅101平行于所述衬底层102的横截面为圆形，每一所述亚波长光栅101的半径为所述工作波长λ的1/2-1/8。
在本公开的一种示例性实施例中，对亚波长光栅101的尺寸设计方法(即第一方法)进行详细介绍。所述第一方法包括以下步骤：
构建相位基-光栅尺寸对应表；
确定所述亚波长光栅101的数量和每一所述亚波长光栅101的坐标；
根据所述轻量化红外制导镜头的工作波长λ、焦距f、直径D要求以及每一所述亚波长光栅101的坐标，确定每一所述亚波长光栅101的对应的最优相位基；
根据所述最优相位基和所述相位基-光栅尺寸对应表，确定每一所述亚波长光栅101的尺寸。
在本公开的一种示例性实施例中，所述构建相位基-光栅尺寸对应表，包括：
根据工作波长λ，利用时域有限差分或严格耦合波分析方法，确定单个所述亚波长光栅101在不同高度、中心距、长度和宽度的情况下，对入射光的相位和透过率的调制情况，并将符合设定条件的光栅尺寸储存为数据库。
利用N阶线性相位均分0-360度相位，将N个相位和几何关系对应得到的N个相位基。在这里可以根据不同的需求选择不同N的具体数值，N为6-10的正整数。N的数值代表了对镜头设置了多少个阶次。例如，若N＝8，则表示，本实施例提供的镜头能够通过8个基元实现0-2π的传输相位。
根据N个所述相位基、所述数据库和所述亚波长光栅101的实际相位，确定所述相位基-光栅尺寸对应表。其中指当前亚波长光栅101的实际相位。
在本公开的一种示例性实施例中，所述将符合设定条件的光栅尺寸储存为数据库，包括：
在相邻两亚波长光栅101的中心距和各亚波长光栅101的高度均保持不变的情况下，筛选出满足：对所述入射光的透过率接近于1、入射光相位调制范围为[0,2π]条件的所有亚波长光栅101的长度、宽度范围，并存为数据库。
在本公开的一种示例性实施例中，根据N个所述相位基、所述数据库和所述亚波长光栅101的实际相位，确定所述相位基-光栅尺寸对应表，包括：
在设定误差±360/N范围内遍历数据库中各数据以查找满足所述相位基要求的亚波长光栅101尺寸；
根据亚波长光栅101的实际相位与对应相位基中相位的最小方差确定对应的所述亚波长光栅101的尺寸，得到所述相位基-光栅尺寸对应表；
其中，N为6-10的正整数。
在本公开的一种示例性实施例中，所述根据所述轻量化红外制导镜头的工作波长λ、焦距f、直径D要求以及每一所述亚波长光栅101的坐标，确定每一所述亚波长光栅101的对应的最优相位基，包括：
根据所述轻量化红外制导镜头的工作波长λ、焦距f、直径D要求，利用以下公式确定所述轻量化红外制导镜头直径范围内任意(x,y)坐标处的亚波长光栅101的中红外目标相位
其中，-D/2≤x≤D/2，-D/2≤y≤D/2；
将转换为角度值后的模除以360，用得到的值分别更新/>根据±360/N的误差范围将更新后的/>转换为N阶相位基的目标相位；
根据每一所述亚波长光栅101的坐标对应的目标相位，从所述相位基-光栅对应表中确定，每一所述亚波长光栅101的坐标对应的最优相位基。其中，最优相位基中的最优指的是离散化实现的相位于目标相位最小，即按该方式设计出的镜头，在对光线进行聚焦时的理论误差最小。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”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设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (6)
1.一种基于非晶硅超构表面的轻量化红外制导镜头，其特征在于，包括：
衬底层，由中红外透明材料制成，由以下之一制成：氟化钡、碲化锌；
亚波长光栅，所述亚波长光栅为多个，且多个所述亚波长光栅以阵列形式设置于所述衬底层的同侧表面；
所述亚波长光栅呈圆柱状，每一所述亚波长光栅的尺寸由第一方法确定，以使所述基于非晶硅超构表面的轻量化红外制导镜头能够对3μm-5μm波长的中红外光施加传输相位；
所述第一方法包括以下步骤：
构建相位基-光栅尺寸对应表；
确定所述亚波长光栅的数量和每一所述亚波长光栅的坐标；
根据所述轻量化红外制导镜头的工作波长λ、焦距f、直径D要求以及每一所述亚波长光栅的坐标，确定每一所述亚波长光栅的对应的最优相位基；
根据所述最优相位基和所述相位基-光栅尺寸对应表，确定每一所述亚波长光栅的尺寸；
每一所述亚波长光栅的高度均相等，所述亚波长光栅的高度为工作波长λ的0.75-1.1倍；
每相邻两个所述亚波长光栅的中心距离相等，且所述中心距离小于所述工作波长的一半；
每一所述亚波长光栅平行于所述衬底层的横截面具有对称性；
每一所述亚波长光栅平行于所述衬底层的横截面为圆形，每一所述亚波长光栅的半径为所述工作波长λ的1/2-1/8。
2.根据权利要求1所述的轻量化红外制导镜头，其特征在于，
所述亚波长光栅，由折射率>2的介质制成；
所述亚波长光栅由以下之一制成：硅、氮化硅、二氧化钛、磷化镓、氮化镓和砷化镓。
3.根据权利要求1所述的轻量化红外制导镜头，其特征在于，所述构建相位基-光栅尺寸对应表，包括：
根据工作波长λ，确定单个所述亚波长光栅在不同高度、中心距、长度和宽度的情况下，对入射光的相位和透过率的调制情况，并将符合设定条件的光栅尺寸储存为数据库；
利用N阶线性相位均分0-360度相位，将N个相位和几何关系对应得到的N个相位基；
根据N个所述相位基、所述数据库和所述亚波长光栅的实际相位，确定所述相位基-光栅尺寸对应表。
4.根据权利要求3所述的轻量化红外制导镜头，其特征在于，所述将符合设定条件的光栅尺寸储存为数据库，包括：
在相邻两亚波长光栅的中心距和各亚波长光栅的高度均保持不变的情况下，筛选出满足：对所述入射光的透过率接近于1、入射光相位调制范围为[0,2π]条件的所有亚波长光栅的长度、宽度范围，并存为数据库。
5.根据权利要求3所述的轻量化红外制导镜头，其特征在于，根据N个所述相位基、所述数据库和所述亚波长光栅的实际相位，确定所述相位基-光栅尺寸对应表，包括：
在设定误差±360/N范围内遍历数据库中各数据以查找满足所述相位基要求的亚波长光栅尺寸；
根据亚波长光栅的实际相位与对应相位基中相位的最小方差确定对应的所述亚波长光栅的尺寸，得到所述相位基-光栅尺寸对应表；
其中，N为6-10的正整数。
6.根据权利要求1所述的轻量化红外制导镜头，其特征在于，所述根据所述轻量化红外制导镜头的工作波长λ、焦距f、直径D要求以及每一所述亚波长光栅的坐标，确定每一所述亚波长光栅的对应的最优相位基，包括：
根据所述轻量化红外制导镜头的工作波长λ、焦距f、直径D要求，利用以下公式确定所述轻量化红外制导镜头直径范围内任意(x,y)坐标处的亚波长光栅的中红外目标相位
其中，-D/2≤x≤D/2，-D/2≤y≤D/2；
将转换为角度值后的模除以360，用得到的值分别更新/>根据±360/N的误差范围将更新后的/>转换为N阶相位基的目标相位；
根据每一所述亚波长光栅的坐标对应的目标相位，从所述相位基-光栅对应表中确定，每一所述亚波长光栅的坐标对应的最优相位基。
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