CN114025062B - 一种大口径红外超透镜相机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种大口径红外超透镜相机，属于红外成像与微纳光子学技术领域，包括大口径超透镜、红外焦平面阵列探测器、超透镜机械组装件和外壳，大口径超透镜的口径大于50mm，厚度小于2mm，大口径超透镜与红外焦平面阵列探测器的距离大于30mm；超透镜机械组装件采用缓冲结构对超透镜进行固定、调节与抗震保护；外壳采用隔热涂层并密封处理，对镜头进行隔热与防水保护。本发明采用严格电磁场数值、衍射设计算法与大面积半导体工艺制备方法，将超透镜的口径提升至50mm以上，在保证超透镜F数满足图像信噪比的要求下，大大提高了相机的焦距与放大率，克服了以往超透镜相机焦距短、放大率小、成像距离不够的问题，能对中远距离物体进行探测成像。

Description

一种大口径红外超透镜相机
技术领域
本发明属于红外成像与微纳光子学技术领域，更具体地，涉及一种大口径红外超透镜相机。
背景技术
红外成像技术是一种通过获取目标物体热辐射分别信息并将其转换为人眼可见图像的技术。该成像技术相比可见光成像技术，具有隐蔽性与抗干扰能力强、环境适应性好的优势，因此广泛引用于夜间侦查、红外制导、导弹预警等军事领域和安防监控、车载夜视、工业检测等民用领域。
近年来，随着红外成像技术越来越多地应用于机载、移动端等对设备重量、体积和成本敏感的场合、轻型、紧凑和低成本的红外相机成为研发热点。另一方面，红外相机也在有限的空间内，追求着更大的焦距与放大率，从而显著获得更大的作用距离，希望能识别更远的目标物体，进一步发挥红外成像技术的优势。综合来看，更轻、更远是目前红外成像技术的两大发展趋势。
然而，传统透镜由于依靠元件的曲面外形及其材料的光学特性实现对光的波前调控，难以将红外相机的重量、体积和成本进一步减小。电磁超表面作为纳米光子学领域中一个新颖的研究方向，则有望替代传统透镜，实现红外相机的“更轻”目标。从结构上讲，电磁超表面是亚波长或波长尺度电磁谐振单元的二维阵列；从功能上讲，它可以在整个电磁波谱范围内调控电磁波的强度、频率、相位、偏振等参量。基于电磁超表面的成像技术(超透镜)作为其中的一个分支，相比传统光学元件，结构轻便、成本低廉、更加适应平面加工工艺，因此具有广阔的应用前景，若把超透镜用于红外成像，则有利于减小红外相机的重量、体积和成本。
不幸的是，目前红外超透镜相机不能同时实现“更轻”与“更远”两大目标，其存在以下问题：
(1)目前的红外超透镜相机设计技术中，几乎不可能设计口径大于50mm的红外超透镜。目前普遍采用严格电磁场数值算法(如有限时域差分算法)来仿真红外超透镜的聚焦光斑，以此作为红外超透镜设计的依据。然而，当红外超透镜口径增大到50mm时需要成百上千万个柱状结构单元，这样大规模的仿真模型几乎不可能在一般的工程设计计算机上用可接受的时间成本来完成运行。
(2)目前的红外超透镜相机制备工艺中，制备口径大于50mm的红外超透镜是一个难题。目前在图形化工艺中普遍采用电子束曝光或紫外投影式光刻来制备红外超透镜。然而，电子束曝光是逐点曝光工艺，无法以可接受的尺寸精度与时间成本完成成百上千万个柱状结构单元的图形化；紫外投影式光刻虽然可以保证较高的产率，但受限于投影镜头的视场，紫外投影式光刻一次曝光的面积是有限的(通常为20mm*20mm)，不能覆盖大口径超透镜需要的曝光区域(至少为50mm*50mm)。
(3)结合以上两点，目前红外超透镜相机的口径是有限的，在保证超透镜F数满足图像信噪比的要求下，其焦距和放大率也将是有限的，因此成像距离(或作用距离)也就是有限的，这意味着目前红外超透镜相机不能兼顾“更轻”与“更远”两大目标，重量与成像距离(或作用距离)存在矛盾。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种大口径红外超透镜相机，由此解决目前红外超透镜相机焦距小、放大率低、成像距离不够的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种大口径红外超透镜相机，包括大口径超透镜、红外焦平面阵列探测器、超透镜机械组装件和外壳；
所述大口径超透镜设置于所述超透镜机械组装件，所述超透镜机械组装件装配于所述外壳，所述外壳设有可使其沿大口径超透镜镜面轴向移动的伸缩构件；
所述超透镜机械组装件用于固定所述大口径超透镜；
所述伸缩构件用于使所述大口径超透镜沿其镜面轴向移动，以使所述大口径超透镜与所述红外焦平面阵列探测器之间的距离大于30mm；
所述大口径超透镜用于对目标物体的热辐射进行光线弯折并聚焦至所述红外焦平面阵列探测器表面，其口径大于50mm，厚度小于2mm；
所述红外焦平面阵列探测器用于消除杂散光和探测波段以外的光线，从而实现探测成像。
优选地，所述大口径超透镜包括超表面微结构阵列、微结构阵列薄膜涂层、基底和基底薄膜涂层；
所述微结构阵列薄膜涂层涂覆于所述超表面微结构阵列表面，用于对入射光的增透，其表面形状与所述超表面微结构阵列形状相同；
所述基底薄膜涂层涂覆于所述基底表面，用于对入射光的增透；
所述超表面微结构阵列位于所述基底的后表面，其中，所述基底的后表面为沿着入射光方向，光线后到达的一面。
优选地，所述超表面微结构阵列包括按照有序晶格周期排列多个柱状结构单元，其中，所述柱状结构单元的高度均相同，且介于所探测的波长量级；所述柱状结构单元的直径介于亚波长量级；
所述柱状结构单元所组成的阵列周期小于10微米，且所述柱状结构单元所组成的阵列直径等于所述大口径超透镜的口径。
优选地，所述柱状结构单元的材料包括硅或锗；所述微结构阵列薄膜涂层的材料包括硫化锌或锗；所述基底的材料包括本征双抛硅、硫化锌或氟化钡；所述基底薄膜涂层的材料包括硫化锌或锗。
优选地，所述大口径超透镜的口径与F数根据下式确定：
Figure BDA0003318815870000041
Figure BDA0003318815870000042
其中，C为目标物体在探测图像中的像素密度，L为目标物体离所述大口径红外超透镜相机的距离，D为所述大口径超透镜的口径，F为所述大口径超透镜的F数，P为所述红外焦平面阵列探测器的像元间距，Cd为要求的目标物体在探测图像中的最小像素密度；SNR为相机探测信噪比，K为与目标物体辐射程度、探测环境、透镜透过率、探测器响应度相关的参数，SNRd为要求的最低相机信噪比。
优选地，所述超表面微结构阵列(101)通过以下方法设计：
根据所述大口径超透镜的口径与F数使用衍射设计算法或光线追迹算法，优化设计并获取所述大口径超透镜的表面相位分布；
获得所述柱状结构单元的相位及透过率与柱状结构单元尺寸的关系；
根据所述大口径超透镜的表面相位分布以及所述柱状结构单元的相位及透过率与柱状结构单元尺寸的关系，确定所述超表面微结构阵列中每个位置处柱状结构单元的尺寸，并再次用衍射设计算法或光线追迹算法加以反馈优化；其中，所述柱状结构单元的红外透过率大于红外透过率的需求值；
进一步优选地，所述微结构阵列薄膜涂层根据所述超表面微结构阵列形状，通过电磁场仿真算法进行优化设计；
进一步优选地，所述基底通过时域有限差分法与光线追迹法进行优化设计。
优选地，所述超表面微结构阵列采用半导体工艺制备，包括但不限于步进式光刻、分步扫描式光刻、纳米压印、激光直写、金属剥离或ICP刻蚀。
所述微结构阵列薄膜涂层与基底薄膜涂层采用光学镀膜工艺制备，包括但不限于电子束蒸发镀膜；
所述基底通过光学抛光处理。
优选地，所述红外焦平面阵列探测器包括探测器窗口和红外焦平面阵列，所述探测器窗口和红外焦平面阵列沿入射光方向依次设置；
所述探测器窗口用于滤除杂散光及探测波段外的光线；
所述红外焦平面阵列用于对聚焦后的光线进行探测成像。
优选地，所述超透镜机械组装件包括缓冲结构，所述缓冲结构设有与所述大口径超透镜边缘匹配的凹槽，所述凹槽内设有用于对所述大口径超透镜进行固定与抗震保护的机械阻尼件；
所述机械阻尼件的材料包括但不限于橡胶、复合材料或高阻尼合金。
优选地，所述外壳与所述超透镜机械组装件、红外焦平面阵列探测器的接触面分别设有密封垫圈；
所述外壳设有隔热涂层，所述隔热涂层的材料包括但不限于金属氧化物微粉或非金属空芯微珠。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
1、本发明提出的大口径红外超透镜相机，其中大口径超透镜的口径大于50mm，焦距大于30mm，在保持大口径超透镜重量很小的前提下，放大率和成像距离大大提高，克服了以往超透镜相机焦距短、放大率小的问题，能对中远距离物体进行探测成像。本发明进一步得到大口径超透镜的口径与F数根据系统参数的确定方法，更好地兼顾“更轻”与“更远”两大目标，解决了重量与成像距离(或作用距离)的矛盾。
2、本发明提出的大口径红外超透镜相机在设计技术上无需复杂地计算整个大口径超透镜的严格电磁场，而是将大口径超透镜的设计分为表面相位分布设计与局部相位设计(即柱状结构单元的相位设计)，仅需计算柱状结构单元的严格电磁场与表面相位分布的衍射场或光线场，大大减小了计算规模，提高了设计效率；在仿真反馈优化环节，亦引入衍射算法或光线追迹算法代替严格电磁场算法，进一步提高了计算准确度，提高了优化效率。
3、本发明提出的大口径红外超透镜相机用步进式光刻、分步扫描式光刻、纳米压印或激光直写等高产率大面积图形化工艺来代替小面积的电子束曝光与紫外投影式光刻工艺，拓展了图形化工艺的覆盖区域面积，增大了图形化的速度，使大口径超透镜可以大批量制备。
4、本发明提出的大口径红外超透镜相机中大口径超透镜双面镀增透膜，提高了超透镜的透过率；超透镜机械组装件采用缓冲结构，可对超透镜进行固定、调节与抗震保护，避免了以往超透镜相机较差的机械性能。
5、本发明提出的大口径红外超透镜相机中外壳采用隔热涂层并密封处理，可对镜头进行隔热与防水保护，使镜头具有更好的无热化与防水性能。
附图说明
图1是本发明实施例提出的大口径红外超透镜相机的结构示意图；
图2是本发明实施例提出的大口径超透镜的结构示意图；
图3是本发明实施例提出的一个柱状结构单元和一个六方晶格形式的基底示意图；
图4本发明实施例提供的一个柱状结构单元和一个六方晶格形式的基底俯视图；
图5是本发明实施例提供的大口径超透镜的表面相位分布；
图6是本发明实施例提供的柱状结构单元在不同直径下得到的相位和透过率；
图7是本发明实施例提供的设计所得的大口径超透镜中的大面积超表面微结构阵列的俯视图；
图8是本发明实施例提供的工艺制备所得的大面积超表面微结构阵列的局部俯视图；
图9是本发明实施例提供的工艺制备所得的大面积超表面微结构阵列的局部斜视图；
图10是本发明实施例提供的工艺制备所得的1片6寸硅晶圆上的4个大口径超透镜1示意图；
图11是本发明实施例提供的超透镜机械组装件的结构示意图；
图12是本发明实施例提供的外壳的结构示意图；
图13是本发明实施例提供的大口径超透镜的样件照片；
图14是本发明实施例提供的室内50m远距离成像实验结果与可见光短焦镜头的识别效果对比示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-大口径超透镜；101-超表面微结构阵列；1011-柱状结构单元；102-微结构阵列薄膜涂层；103-基底；104-基底薄膜涂层；2-红外焦平面阵列探测器；3-超透镜机械组装件；301-缓冲结构；3011-机械阻尼件；3012-凹槽；4-外壳；401-密封垫圈；5-伸缩构件；6-隔热涂层。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1-14所示，本发明提供了一种大口径红外超透镜相机，包括沿入射光方向依次放置的大口径超透镜1和红外焦平面阵列探测器2，以及超透镜机械组装件3与外壳4；
其中，所述大口径超透镜1用于对目标物体的热辐射进行光线弯折，其口径大于50mm，厚度小于2mm；通过采用厚度小的大口径超透镜1进行成像，在保持大口径超透镜1重量很小的前提下，相机放大率和成像距离大大提高，克服了以往超透镜相机焦距短、放大率小的问题，能对中远距离物体进行探测成像。优选地，大口径超透镜1的口径与F数根据下式确定：
Figure BDA0003318815870000081
Figure BDA0003318815870000082
式中，C为目标物体在探测图像中的像素密度，L为目标物体离上述大口径红外超透镜相机的距离，D为上述大口径超透镜的口径，F为上述大口径超透镜的F数，P为上述红外焦平面阵列探测器的像元间距，Cd为要求的目标物体在探测图像中的最小像素密度；SNR为相机探测信噪比，K为与目标物体辐射程度、探测环境、透镜透过率、探测器响应度相关的参数，SNRd为要求的最低相机信噪比。上述确定准则同时考虑了相机的重量参数(大口径超透镜的口径与F数)与成像距离参数(目标物体离上述大口径红外超透镜相机的距离)，能更好地兼顾“更轻”与“更远”两大目标，解决了重量与成像距离(或作用距离)的矛盾。
本发明的一个实施例中，所述大口径超透镜1包括超表面微结构阵列101、覆盖超表面微结构阵列101的微结构阵列薄膜涂层102、基底103和覆盖基底103的基底薄膜涂层104；超表面微结构阵列101位于上述基底103的后表面，其中，上述基底103的后表面为沿着入射光方向，光线后到达的那一面；超表面微结构阵列101由一系列柱状结构单元1011按照有序晶格周期排列而成，其中，上述柱状结构单元1011的高度均相同，且介于所探测的波长量级，上述柱状结构单元1011的直径介于亚波长量级，所述柱状结构单元1011所组成的阵列周期小于10微米，所述柱状结构单元1011所组成的阵列直径等同于大口径超透镜1的口径，所述柱状结构单元1011的材料采用红外高折射率材料，包括但不限于硅、锗等；覆盖超表面微结构阵列的微结构阵列薄膜涂层102用于入射光的增透，其表面形状跟随所述超表面微结构阵列101的形状，包括但不限于硫化锌、锗涂层；所述基底103采用对红外光高透的材料，包括但不限于本征双抛硅、硫化锌、氟化钡等；覆盖基底的基底薄膜涂104层用于入射光的增透，包括但不限于硫化锌、锗涂层。
本发明的一个实施例中，所述大口径超透镜1双面镀增透膜，提高了相机的透过率。
更进一步的说明，所述超表面微结构阵列101按如下方法设计：根据所述大口径超透镜1的口径与F数，使用衍射设计算法或光线追迹算法，优化设计所述大口径超透镜1的表面相位分布。根据严格电磁场数值算法，获得所述柱状结构单元1011的相位及透过率与柱状结构单元1011尺寸的关系。根据所述大口径超透镜1的表面相位分布，以及所述柱状结构单元1011的相位及透过率与柱状结构单元1011尺寸的关系，确定所述超表面微结构阵列101中每个位置处柱状结构单元1011的尺寸，并再次用衍射设计算法或光线追迹算法加以反馈优化。其中，所述柱状结构单元1011的红外透过率大于红外透过率的需求值；覆盖超表面微结构阵列的微结构阵列薄膜涂层102根据所述超表面微结构阵列101形状，通过电磁场仿真算法进行优化设计；基底103利用时域有限差分法与光线追迹法进行优化设计。上述设计方法无需复杂地计算整个大口径超透镜的严格电磁场，而是将大口径超透镜的设计分为表面相位分布设计与局部相位设计(即柱状结构单元的相位设计)，仅需计算柱状结构单元的严格电磁场与表面相位分布的衍射场或光线场，大大减小了计算规模，提高了设计效率；在仿真反馈优化环节，亦引入衍射算法或光线追迹算法代替严格电磁场算法，进一步提高了计算准确度，提高了优化效率。
本发明的一个实施例中，所述超表面微结构阵列101采用大面积半导体工艺制备，包括但不限于步进式光刻、分步扫描式光刻、纳米压印、激光直写、金属剥离、ICP刻蚀等；覆盖超表面微结构阵列的微结构阵列薄膜涂层102与覆盖基底103的基底薄膜涂层104采用光学镀膜工艺制备，包括但不限于电子束蒸发镀膜；基底103经过光学抛光处理。上述制备工艺中用步进式光刻、分步扫描式光刻、纳米压印或激光直写等高产率大面积图形化工艺来代替小面积的电子束曝光与紫外投影式光刻工艺，拓展了图形化工艺的覆盖区域面积，增大了图形化的速度，使大口径超透镜可以大批量制备。
更进一步的说明，所述红外焦平面阵列探测器2用于消除杂散光和探测波段以外的光线，实现探测成像。本发明的一个实施例中，所述红外焦平面阵列探测器1包括沿入射光方向依次设置的探测器窗口和红外焦平面阵列；所述探测器窗口用于滤除系统的杂散光及探测波段外的光线；所述红外焦平面阵列用于对聚焦后的光线实现探测成像。
本发明的一个实施例中，所述超透镜机械组装件3用于对大口径超透镜1进行固定、调节与抗震保护。具体地，所述超透镜机械组装件3设有缓冲结构301，其中，缓冲结构301采用机械阻尼件3011，所述机械阻尼件3011的材料包括但不限于橡胶、复合材料、高阻尼合金等；缓冲结构301具有与大口径超透镜1边缘匹配的凹槽3012，可以夹取大口径超透镜1并对其进行固定与抗震保护；超透镜机械组装件3与外壳4固定相连，外壳4可通过伸缩构件5伸缩，从而超透镜机械组装件3与外壳4搭配对大口径超透镜1进行调节。所述超透镜机械组装件3设有缓冲结构301，可对大口径超透镜1进行固定、调节与抗震保护，避免了以往超透镜相机较差的机械性能。
本发明的一个实施例中，所述外壳4用于对镜头进行隔热与防水保护。优选地，外壳4采用隔热涂层6并密封处理，隔热涂层6材料包括但不限于金属氧化物微粉、非金属空心微珠等，密封处理包括但不限于在外壳连接处采用密封垫圈401。所述外壳4使镜头具有更好的无热化与防水性能。
本发明中，所述大口径超透镜1与所述红外焦平面阵列探测器2的距离大于30mm。在大口径超透镜1与所述红外焦平面阵列探测器2之间不添加其他光学元件时，这为相机的焦距留出了必要的空间，是提高相机放大率的必要条件。
本发明提供了一种大口径红外超透镜相机，在设计技术上，提高了大口径超透镜的设计效率；在制备工艺上，使大口径超透镜可以大批量制备；从而大口径超透镜的口径可大于50mm，焦距可大于30mm，在保持大口径超透镜重量很小的前提下，放大率和成像距离大大提高，解决了目前红外超透镜相机焦距小、放大率低、成像距离不够的技术问题。同时本发明保持了超透镜轻薄(厚度小于2mm)、可大批量生产的优点，使得相机轻便、紧凑与低成本，大大减小了中远距离红外相机的重量、体积与成本，可用于中远距离探测成像、边界安防、中远距离热感应、智能家居、智能环境感知等场合。
下面通过具体实施例来进一步说明本发明的技术方案。
如图1所示为本发明提出的一种大口径红外超透镜相机，包括：大口径超透镜1、红外焦平面阵列探测器2、超透镜机械组装件3、外壳4、伸缩构件5以及隔热涂层6。
其中，大口径超透镜1用于对目标物体的热辐射进行光线弯折，其厚度为0.5mm；根据下式进一步选择大口径超透镜1的口径与F数：
Figure BDA0003318815870000111
Figure BDA0003318815870000112
式中，C为目标物体在探测图像中的像素密度，L为目标物体离上述大口径红外超透镜相机的距离，D为上述大口径超透镜的口径，F为上述大口径超透镜的F数，P为上述红外焦平面阵列探测器的像元间距，Cd为要求的目标物体在探测图像中的最小像素密度；SNR为相机探测信噪比，K为与目标物体辐射程度、探测环境、透镜透过率、探测器响应度相关的参数，SNRd为要求的最低相机信噪比。
本实施例中，P＝17μm，根据K的经验公式并代入经验值，在合适的SNRd下，选取F＝1。根据红外图像的约翰逊准则，辨认目标需要在临界方向上成像不少于12个像素，假设本实施例用于中大型室内智能感应(如体育馆)，需要探测人的全身热图像，从而辨认出人体并分析其移动位置及路线，为下一步控制室内设备(如空调、灯光、窗帘、投影仪等)提供信息，则目标物体为人，特征尺寸超过1m，考虑到相机还具有一定的像差与噪声，因此选取Cd＝12*4＝48m-1。当成像距离L＝50m，F＝1，P＝17μm时，取D＝50.2mm，此时有C＝59m-1>Cd。即大口径超透镜口径为50.2mm，F数为1，能同时满足本实施例信噪比与成像距离(不小于50米)的要求。上述确定准则保证在需求的目标参数下选取合适的参数，同时考虑了相机的重量参数(大口径超透镜的口径与F数)与成像距离参数(目标物体离上述大口径红外超透镜相机的距离)，能更好地兼顾“更轻”与“更远”两大目标，解决了重量与成像距离(或作用距离)的矛盾。
更进一步的说明，本实施例中大口径超透镜的具体结构如图2所示，包括超表面微结构阵列101、覆盖超表面微结构阵列101的微结构阵列薄膜涂层102、基底103和覆盖基底103的基底薄膜涂层104。超表面微结构阵列101位于所述基底103的后表面，其中，所述基底103的后表面为沿着入射光方向，光线后到达的那一面。本实施例为了获得较大的单元对相位的采样密度，所述超表面微结构阵列101由一系列柱状结构单元1011按照六方晶格周期排列而成。图3与图4进一步分别给出柱状结构单元1011和一个六方晶格形式的基底103的示意图和俯视图，需要说明的是，为了更好地表示柱状结构单元的结构，图中不包括覆盖超表面微结构阵列101的微结构阵列薄膜涂层102和覆盖基底103的基底薄膜涂层104。其中，所述柱状结构单元1011的高度均相同，且介于所探测的波长量级，所述柱状结构单元1011的直径介于亚波长量级，所述柱状结构单元1011所组成的阵列周期小于10微米，所述柱状结构单元1011所组成的阵列直径等同于大口径超透镜1的口径D。本实施例中工作波段为长波红外，故所述柱状结构单元1011的材料采用本征硅。覆盖超表面微结构阵列101的微结构阵列薄膜涂层102用于入射光的增透，其表面形状跟随所述超表面微结构阵列101的形状，采用硫化锌与锗的交替涂层；所述基底103采用本征双抛硅晶圆；覆盖基底103的基底薄膜涂层104用于入射光的增透，采用硫化锌与锗的交替涂层。所述大口径超透镜1双面镀增透膜，理论上可将相机的透过率提高至80％以上。
本实施例中所述超表面微结构阵列101按如下方法设计：根据上述大口径超透镜1的口径D＝50.2mm与F＝1，使用光线追迹算法，优化设计上述大口径超透镜1的表面相位分布。根据时域有限差分算法(一种常用的严格电磁场数值算法)，获得上述柱状结构单元1011的相位及透过率与柱状结构单元1011尺寸(本实施例中为圆柱的直径)的关系。根据上述大口径超透镜1的表面相位分布，以及上述柱状结构单元1011的相位及透过率与柱状结构单元1011直径的关系，确定上述大面积超表面微结构阵列101中每个位置处柱状结构单元1011的尺寸，并再次用衍射设计算法加以反馈优化。具体地，衍射设计算法中代入柱状结构单元1011的相位与透过率，使仿真能反映超表面微结构阵列101的光学性能。其中，上述柱状结构单元1011的红外透过率大于红外透过率的需求值；覆盖超表面微结构阵列101的微结构阵列薄膜涂层102根据所述超表面微结构阵列101的形状，通过有限时域差分算法进行优化设计；基底103的厚度利用光线追迹法进行优化设计。按照上述方法，图5为最终设计得到的大口径超透镜1的表面相位分布，选取柱状结构单元1011的高度为6μm，周期为4μm，图6为柱状结构单元1011的相位及透过率与柱状结构单元1011直径的关系，图7为设计得到的大口径超透镜1中的超表面微结构阵列101的俯视图。所有仿真设计都在普通计算机上完成，验证了本发明对大口径超透镜1很高的仿真设计效率。
更进一步的说明，所述超表面微结构阵列101采用大面积半导体工艺制备，本实施例中主要采用步进式光刻、ICP刻蚀两种工艺，其中步进式光刻采用9块掩膜版，分9次步进光刻，使9个曝光区域拼接为一个大口径超透镜1的曝光区域，产生超表面微结构阵列101的光刻胶图形；ICP刻蚀采用Bosch工艺，以步进式光刻产生的光刻胶图形作为刻蚀掩膜，获得高深宽比的超表面微结构阵列101。图8与图9分别为按以上工艺制得的超表面微结构阵列101的局部俯视图与斜视图。覆盖超表面微结构阵列101的微结构阵列薄膜涂层102与覆盖基底103的基底薄膜涂层104采用光学镀膜工艺制备。本实施例中采用电子束蒸发镀膜；基底为本征双抛片，两面均经过抛光处理。图10为1片6寸硅晶圆上制得4个大口径超透镜1，验证了本发明大口径超透镜1可以在硅晶圆上大批量制备。
更进一步的说明，所述红外焦平面阵列探测器2用于消除杂散光和探测波段以外的光线，实现探测成像。红外焦平面阵列探测器2包括沿入射光方向依次设置的探测器窗口和红外焦平面阵列；所述探测器窗口用于滤除系统的杂散光及探测波段外的光线；所述红外焦平面阵列用于对聚焦后的光线实现探测成像。本实施例中采用的红外焦平面阵列探测器2的技术指标如下：工作波段为8-14μm；像元尺寸为17μm；阵列分辨率为1280×960。
更进一步的说明，所述超透镜机械组装件3用于对大口径超透镜1进行固定、调节与抗震保护。如图11所示，超透镜机械组装件3包括缓冲结构301，其中，缓冲结构301设有机械阻尼件3011。本实施例中所述机械阻尼件3011采用橡胶；缓冲结构301具有与超透镜边缘匹配的凹槽3012，可以夹取大口径超透镜1并对其进行固定与抗震保护。如图1所示，超透镜机械组装件3与外壳4固定相连，外壳4可通过伸缩构件5伸缩，从而使超透镜机械组装件3与外壳4搭配对超透镜进行调节。
更进一步的说明，所述外壳4用于对镜头进行隔热与防水保护。外壳4采用隔热涂层6并密封处理，本实施例中隔热涂层6材料采用一种复合乳液，填料为超细空心微珠、金属氧化物微粉与钛白粉。如图12所示，本实施例中密封处理为在外壳4连接处采用密封垫圈401。
更进一步的说明，所述大口径超透镜1与红外焦平面阵列探测器2的距离大于30mm。本实施例中这一距离为50mm。
为了验证本发明大口径红外超透镜相机的重量与成像距离性能，对本发明的实施例进行了实验测试，图13为本实施例大口径超透镜1的样件照片，验证了本发明超透镜口径大于50mm。用电子称量仪测得本实施例大口径超透镜重量仅为3.7克。室内50m远距离成像实验结果表明，对50m远的目标物(箭头处)可进行远距离识别，如图14所示。与可见光短焦镜头的识别效果对比，超透镜构成的红外相机具有更显著的识别效果。根据这一结果，本发明实施例更好地兼顾“更轻”与“更远”两大目标，解决了重量与成像距离(或作用距离)的矛盾。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种大口径红外超透镜相机，其特征在于，包括大口径超透镜(1)、红外焦平面阵列探测器(2)、超透镜机械组装件(3)和外壳(4)；
所述大口径超透镜(1)设置于所述超透镜机械组装件(3)，所述超透镜机械组装件(3)装配于所述外壳(4)，所述外壳(4)设有可使其沿大口径超透镜(1)镜面轴向移动的伸缩构件(5)；
所述超透镜机械组装件(3)用于固定所述大口径超透镜(1)；
所述伸缩构件(5)用于使所述大口径超透镜(1)沿其镜面轴向移动，以使所述大口径超透镜(1)与所述红外焦平面阵列探测器(2)之间的距离大于30mm；
所述大口径超透镜(1)用于对目标物体的热辐射进行光线弯折并聚焦至所述红外焦平面阵列探测器(2)表面，其口径大于50mm，厚度小于2mm；
所述红外焦平面阵列探测器(2)用于消除杂散光和探测波段以外的光线，从而实现探测成像；
所述大口径超透镜(1)包括超表面微结构阵列(101)、微结构阵列薄膜涂层(102)、基底(103)和基底薄膜涂层(104)；
所述超表面微结构阵列(101)包括按照有序晶格周期排列的多个柱状结构单元(1011)；
所述超表面微结构阵列(101)通过以下方法设计：
根据所述大口径超透镜的口径与F数使用衍射设计算法或光线追迹算法，优化设计并获取所述大口径超透镜的表面相位分布；
获得所述柱状结构单元的相位及透过率与柱状结构单元尺寸的关系；
根据所述大口径超透镜的表面相位分布以及所述柱状结构单元的相位及透过率与柱状结构单元尺寸的关系，确定所述超表面微结构阵列中每个位置处柱状结构单元的尺寸，并再次用衍射设计算法或光线追迹算法加以反馈优化；其中，所述柱状结构单元的红外透过率大于红外透过率的需求值；
所述超表面微结构阵列(101)采用半导体工艺制备，包括步进式光刻、分步扫描式光刻、纳米压印、激光直写、金属剥离或ICP刻蚀；
所述微结构阵列薄膜涂层(102)与基底薄膜涂层(104)采用光学镀膜工艺制备，包括但不限于电子束蒸发镀膜；
所述基底(103)通过光学抛光处理。
2.根据权利要求1所述的一种大口径红外超透镜相机，其特征在于，所述微结构阵列薄膜涂层(102)涂覆于所述超表面微结构阵列(101)表面，其表面形状与所述超表面微结构阵列(101)形状相同，用于对入射光的增透；
所述基底薄膜涂层(104)涂覆于所述基底(103)表面，用于对入射光的增透；
所述超表面微结构阵列(101)位于所述基底(103)的后表面，其中，所述基底(103)的后表面为沿着入射光方向，光线后到达的一面。
3.根据权利要求2所述的一种大口径红外超透镜相机，其特征在于，所述柱状结构单元(1011)的高度均相同，且介于所探测的波长量级；所述柱状结构单元的直径介于亚波长量级；
所述柱状结构单元(1011)所组成的阵列周期小于10微米，且所述柱状结构单元(1011)所组成的阵列直径等于所述大口径超透镜(1)的口径。
4.根据权利要求3所述的一种大口径红外超透镜相机，其特征在于，所述柱状结构单元(1011)的材料包括硅或锗；所述微结构阵列薄膜涂层(102)的材料包括硫化锌或锗；所述基底(103)的材料包括本征双抛硅、硫化锌或氟化钡；所述基底薄膜涂层(104)的材料包括硫化锌或锗。
5.根据权利要求4所述的一种大口径红外超透镜相机，其特征在于，所述大口径超透镜(1)的口径与F数根据下式确定：
Figure FDA0003650778830000031
Figure FDA0003650778830000032
其中，C为目标物体在探测图像中的像素密度，L为目标物体离所述大口径红外超透镜相机的距离，D为所述大口径超透镜的口径，F为所述大口径超透镜的F数，P为所述红外焦平面阵列探测器的像元间距，Cd为要求的目标物体在探测图像中的最小像素密度；SNR为相机探测信噪比，K为与目标物体辐射程度、探测环境、透镜透过率、探测器响应度相关的参数，SNRd为要求的最低相机信噪比。
6.根据权利要求1所述的一种大口径红外超透镜相机，其特征在于，所述红外焦平面阵列探测器(2)包括探测器窗口和红外焦平面阵列，所述探测器窗口和红外焦平面阵列沿入射光方向依次设置；
所述探测器窗口用于滤除杂散光及探测波段外的光线；
所述红外焦平面阵列用于对聚焦后的光线进行探测成像。
7.根据权利要求1所述的一种大口径红外超透镜相机，其特征在于，所述超透镜机械组装件(3)包括缓冲结构(301)，所述缓冲结构(301)设有与所述大口径超透镜(1)边缘匹配的凹槽(3012)，所述凹槽(3012)内设有用于对所述大口径超透镜(1)进行固定与抗震保护的机械阻尼件(3011)；
所述机械阻尼件(3011)的材料包括但不限于橡胶、复合材料或高阻尼合金。
8.根据权利要求1所述的一种大口径红外超透镜相机，其特征在于，所述外壳(4)与所述超透镜机械组装件(3)、红外焦平面阵列探测器(2)的接触面分别设有密封垫圈(401)；
所述外壳(4)设有隔热涂层(6)，所述隔热涂层(6)的材料包括但不限于金属氧化物微粉或非金属空芯微珠。
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