CN114217413A - 一种基于超构表面的超广角宽带偏振成像系统及探测设备 - Google Patents

一种基于超构表面的超广角宽带偏振成像系统及探测设备 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于超构表面的超广角宽带偏振成像系统及探测设备，该系统包括具有负光焦度的第一透镜，线偏振片、1/4波片、光阑、具有正光焦度的第二透镜，具有正光焦度的第三透镜和超构表面；其中，上述透镜侧面和像侧面为平面或球面；通过设置超构表面单元结构不同旋转角度θ实现宽带谱段下系统所需的相位分布。该系统可以在宽带波段下实现超广角成像。同时，该系统还可以通过机械旋转线偏振片和1/4波片，对不同偏振态的线偏光成像。该系统的视场接近180°，覆盖波段范围广，成像质量优良，系统总长短，重量轻，便于与其它器件集成，且能够获取的成像目标的信息丰富，便于搭载飞行设备对环境进行监测以及直接应用于监控安防等领域。

Description

一种基于超构表面的超广角宽带偏振成像系统及探测设备
技术领域
本发明涉及光学成像系统，特别涉及一种基于超构表面的超广角宽带偏振成像系统及探测设备。
背景技术
随着科学技术理论和加工的进步，光学成像系统也得到了长足的发展，但传统光学系统在实现近红外广角成像时普遍存在系统结构组成繁杂、体积和质量较大的问题，同时也较难实现非常大的成像视场。在传统的光学系统设计中，一般通过使用非球面以及引入衍射光学元件扩大视场和带宽，提高成像质量，但非球面和衍射光学元件加工难度大。同时，传统衍射光学元件在近红外波段的带宽有限，效率低，无法实现近红外超广角宽带成像，而近红外波段的器件不同于可见光波段器件，在昼夜环境下均可工作，在实际应用中有着重要的应用需求。超构表面是一种由亚波长结构组成的平面光学元件，超轻超薄，且可以实现很多传统光学元件无法实现的功能，因而在近二十年里发展迅速。单独使用超构表面可以实现较大视场的成像，但由于其色散较大，难以在宽带条件下保持优良成像性能。
通过将超构表面和折射元件结合，可以在一定程度上解决二者各自的局限性。但现有的这类器件，工作带宽有限，在近红外波段尚未实现超广角宽带偏振成像。同时，由于绝大多数的超构表面和折射元件的组合系统无法直接应用于室外环境，获取目标的偏振信息，仅能在一定的实验室条件下，获取目标的部分偏振信息，因此这类系统目前主要面临着进一步实用化的问题。
发明内容
为了解决以上问题，本发明的目的在于提出一种基于超构表面的超广角宽带偏振成像系统及探测设备，实现宽带波段下超广角成像，以及获取目标的偏振信息。该系统中的偏振片组合通过电机的驱动以及无线调控模块，可以实现远距离动态偏振成像，对安防监控等领域有着重要应用前景。同时，该系统的成像部分只由三块折射透镜和超构表面组成，不涉及非球面，加工难度相对较低。且该系统的体积小，重量很轻，容易集成到其它设备中，以及便于搭载在飞行平台上，进行超过一千米的距离进行遥控偏振成像探测。
为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：
一种基于超构表面的超广角宽带偏振成像系统，该系统从物方到像方依次包括，具有负光焦度的第一透镜，线偏振片、1/4波片、光阑、具有正光焦度的第二透镜，具有正光焦度的第三透镜和超构表面；其中，第一透镜、第二透镜、第三透镜物侧面和像侧面为平面或球面；超构表面的单元结构的旋转角度为θ，通过设置不同旋转角度θ的单元结构实现宽带谱段下系统所需的相位分布。
进一步地，线偏振片和1/4波片为一体化设置，可共同绕光轴旋转。
进一步地，第一透镜像侧面为凹面，第二透镜像侧面为凸面、第三透镜物侧面和像侧面均为凸面。
进一步地，系统中，Nd1>1.5，Nd2>1.8，Nd3>1.8，Vd1-Vd2>17，Vd1-Vd3>17；其中，Nd1为第一透镜的折射率，Nd2为第二透镜的折射率，Nd3为第三透镜的折射率，Vd1为第一透镜的色散系数，Vd2为第二透镜的色散系数，Vd3为第三透镜的色散系数。
进一步地，成像系统满足30mm<TTL<40mm，
Figure BDA0003407779700000021
其中，TTL为系统的光学总长，
Figure BDA0003407779700000022
为系统的光焦度，BFL为系统的光学后焦距。
进一步地，成像系统中使用的1/4波片由深度亚波长结构实现，周期为p且0.1λ0<p<0.5λ0；单元结构宽度为w且0.05λ0<w<0.2λ0；单元结构高度为h且0.1λ0<h<λ0，器件整体厚度不超过0.5mm。其中，λ0为中心波长。
进一步地，线偏振片也可以由深度亚波长结构实现，其单元结构周期取值范围为0.08λ0～0.6λ0，宽度取值范围为0.04λ0～0.08λ0，高度取值范围为0.08λ0～0.5λ0。
进一步地，超构表面的单元结构中，上层介质柱的y方向中心间隔为pM且0.1λ0<pM<0.6λ0，x方向间隙为100nm，宽度为wM且0.1λ0<wM<0.3λ0，高度为hM且0.3λ0<hM<0.65λ0。
进一步地，通过微型电机控制线偏振片和1/4波片的转动，微型电机采用远程遥控控制。
本发明再一方面提供了一种探测设备，探测设备上搭载以上所述的成像系统，用于在宽带波段下实现超广角偏振成像。
本发明的有益效果在于：
本发明提出的系统中，采用折/超混合的系统组成，镜片只有三块球面透镜，其余三块均为平面光学元件，装配简单，且系统不涉及非球面等复杂面型，一定程度上降低了加工难度。同时，该系统在扩大视场和带宽，提高成像质量的同时，由于使用了基于几何相位原理的超构表面，避免了采用传统衍射光学元件的系统受到的带宽受限和效率低的问题。此外，系统中的1/4波片和超构表面均可由深度亚波长结构组成，其轻薄的特点减少了系统的体积和质量，便于与其它器件集成以及搭载飞行设备实现多场景成像探测。该系统可以在宽带近红外波段下实现超广角偏振成像，在整个视场范围和近红外宽带下的成像质量优良，能够获取的成像目标的信息非常丰富，昼夜均可以使用，降低了对使用环境的要求，便于实用化应用，在监控安防以及其它领域有着广泛应用前景。
附图说明
图1为本发明实施例的光学系统图；
图2为本发明实施例的系统中1/4波片的结构示意图以及相对效率图，其中，(a)为构成1/4波片的亚波长单元结构示意图，(b)为效率图；
图3为本发明实施例的系统中超构表面的结构示意图以及相对效率图，其中，(a)为构成超构表面的亚波长单元结构示意图，(b)为效率图，(c)为超构表面结构示意图；
图4为本发明实施例的光学传递函数图；
图5为本发明实施例的光学点列图；
图6为本发明实施例的色差图，其中，(a)为轴向色差图，(b)为垂轴色差图。
附图标记说明：
L1-第一透镜，P1-线偏振片，P2-1/4波片，STO-光阑，L2-第二透镜，L3-第三透镜，M-超构表面。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明进行详细说明，但本发明的保护范围并不仅限于下面实施例，应包括权利要求书中的全部内容。而且本领域技术人员从以下的一个实施例即可实现权利要求中的全部内容。
具体实现例如下：
本实施例中，成像系统的主要设计参数如下表所示：
表1
设计参数 数值
工作波段 900-1700nm
视场 178°
系统焦距f 4.596mm
像方F# 4
光学总长 39.761mm
系统的工作波段可以通过对超构表面结构的优化，进一步拓宽至2000nm以及更宽谱段，本实施例中，为便于说明，这里选用的是近红外探测器的主要响应波段900-1700nm进行说明。
本实施例中，在工作带宽为近红外波段900-1700nm时，工作视场可达到178°，此时系统满足30mm<TTL<40mm，
Figure BDA0003407779700000041
其中，TTL为系统的光学总长，
Figure BDA0003407779700000042
为系统的光焦度，BFL为系统的光学后焦距。需要注意，针对不同的波段范围，系统的TTL、
Figure BDA0003407779700000043
和BFL范围需要重新进行设计。如图1所示，从物方到像方依次包括，具有负光焦度的第一透镜L1、线偏振片P1、1/4波片P2、光阑STO、具有正光焦度的第二透镜L2、具有正光焦度的第三透镜L3和超构表面M。
本实施例中，Nd1>1.5，Nd2>1.8，Nd3>1.8，Vd1-Vd2>17，Vd1-Vd3>17；其中，Nd1为第一透镜的折射率，Nd2为第二透镜的折射率，Nd3为第三透镜的折射率，Vd1为第一透镜的色散系数，Vd2为第二透镜的色散系数，Vd3为第三透镜的色散系数。
第一块平凹透镜L1具有负光焦度，第二块平凸透镜L2具有正光焦度，第三块双凸透镜L3具有正光焦度。第一透镜、第二透镜、第三透镜物侧面和像侧面为平面或球面，整个系统中只涉及到这三块球面透镜，其余均为平面光学元件，便于批量化加工，且装配与集成的难度低。系统通过将具有光焦度的折射透镜和超构表面结合，形成折/超混合系统，实现宽带超广角成像。在本实施例中，为便于附图展示，第一透镜L1为平凹透镜、第二透镜L2为平凸透镜、第三透镜L3为双凸透镜，三块球面透镜的具体形状不作限制，本领域技术人员可以按需要进行选用。另外，本实施例中，为了提高光线透过率，系统中的三块球面透镜均采用双面镀膜来实现98％的透过率，线偏振片，1/4波片以及超构表面结构均采用镀膜来提高透过率，减少反射率。以上器件也可选择不镀膜的类型，本领域技术人员可按需要进行选择，这里不作限制。
本实施例中，系统元件参数如下表，表面标记的数字按从物方到像方的顺序逐渐增大(从S1到S13)：
表2
Figure BDA0003407779700000044
Figure BDA0003407779700000051
需要注意，针对不同的波段范围，以上元件参数可使用系统焦距，F#等目标值进行具体设计，而并不拘泥于以上具体数值。线偏振片P1和1/4波片P2可分离或相互集成设置，这里不作限制；为了节省空间，本实施例中，线偏振片P1和1/4波片P2集成在一起。线偏振片P1和1/4波片P2用于实现偏振成像的功能，即系统中的线偏振片和1/4波片共轴，可绕光轴以相同速度旋转，将成像目标发射、反射或辐射光中的不同线偏振光转换为圆偏振光，利用超构表面M对入射光的偏振态敏感的特点，从而实现对不同偏振态的线偏光成像，从而获取目标的偏振信息，实现偏振成像。本实施例中，通过遥控微型电机的控制，可以遥控线偏振片和1/4波片旋转来得到不同方向线偏振光的成像，使其可以直接用于距离达1km的远距离成像，而不是仅仅局限于实验室使用，其使用便捷性和实用性大大提高。本实施例中，选用微型电机调控偏振片和1/4波片旋转，但本领域技术人员也可按实际使用选择带动偏振片和1/4波片旋转的器件，这里不作限制。
线偏振片用于筛选出任意特定极化方向的偏振光，1/4波片用于将线偏振光转变为圆偏振光，它们均可选用深度亚波长结构也可选用传统器件，这里不作限制。为了减小系统长度，线偏振片也可以由深度亚波长结构实现，其单元结构周期取值范围为0.08λ0～0.6λ0，宽度取值范围为0.04λ0～0.08λ0，高度取值范围为0.08λ0～0.5λ0。同时，1/4波片可由深度亚波长结构实现，周期为p且0.1λ0<p<0.5λ0；单元结构宽度为w且0.05λ0<w<0.2λ0；单元结构高度为h且0.1λ0<h<λ0，基底厚度不超过0.5mm。其中，λ0为中心波长。本实施例中，1/4波片P2由深度亚波长结构组成，如图2所示，其单元结构为条状亚波长硅柱，其宽度w为156nm，周期p为264nm，高度h为300nm的，基底为厚度0.45mm的蓝宝石，1/4波片的平均效率达到了98.698％。线偏振波片P1由深度亚波长结构组成，其单元结构为条状亚波长硅柱，其宽度为64nm，周期为153nm，高度h为120nm的，1/4波片与线偏振片基底相同；由于深度亚波长结构的使用，系统的体积小、重量轻，因此便于搭载飞行平台实现超广角宽带偏振成像。
同时，目前现有的广角成像系统，大多使用了非球面面型透镜以及传统衍射光学元件，在效率、带宽以及功能多样性上均受到较大限制。这类系统中使用的离散台阶结构或者等效折射率不同的纳米柱结构，对不同波长有着不同的相位响应，所以工作带宽受到限制，且其对偏振不敏感，无法实现偏振成像探测。而本实施例中所使用的超构表面M基于几何相位原理：Φ＝±2θ，即超构表面产生的相位和其单元结构旋转角成两倍的关系，只需要通过对单元结构的旋转，就可以实现宽谱段下系统所需的相位分布。由于几何相位只取决于单元结构的旋转角，和波长无关，因此超构表面对不同波长的相位响应保持一致，从而不受波长带宽的限制，可以实现超宽带下工作。由于使用了几何相位原理，因此系统中的超构表面是偏振敏感的，可以利用该特点获取成像目标的偏振信息，进行偏振成像探测，进一步扩大成像系统获取的信息丰富度，对防伪监察等领域有着重要意义。
本实施例中，超构表面M的光线入射面S11(参见表2)的面型的相位分布满足以下方程式：
Figure BDA0003407779700000061
其中，Φ表示相位，Morder是衍射级次，N是级数中多项式系数的最大项数，ρ是归一化的径向孔径坐标，Ai是ρ的第2i次项的系数。这里，Morder取1级，N为4，ρ的值等于r与R的比值，其中，r为超构表面平面内不同位置对应的半径值，r的最大值为超构表面M的实际半径，R为归一化半径，这里R为1mm。需要注意，附图3中的(c)图只是直观示意图，不代表实际结构分布图，本实施例实际相位分布需满足上述公式。
本实施例中，超构表面M为二元面2，它的多项式系数Ai如下表所示，
表3
面型 二次项系数A<sub>1</sub> 四次项系数A<sub>2</sub> 六次项系数A<sub>3</sub> 八次项系数A<sub>4</sub>
二元面2 -15.225164 0.0714807 -0.0029836596 7.5031731e-5
即，超构表面的相位分布满足以下方程式：
Φ＝-15.225164ρ2+0.0714807ρ-0.0029836596ρ6+7.5031731e-5ρ8
通过对构成超构表面的亚波长单元结构的优化，可以在效率上大大提高，实现平均效率为97.869％的高效率成像，如图3所示。本实施例中，该面型实现的相位分布由超构表面实现。超构表面由深度亚波长结构组成，如图3所示，其单元结构为亚波长硅柱，其宽度wM为166nm，y方向周期py为277nm，x方向结构之间间隔为100nm，高度hM为600nm，基底为厚度0.475mm的蓝宝石，超构表面的平均效率达到了97.869％。相位的实现是根据几何相位原理，Φ＝±2θ，其中Φ为单元结构的相位，θ为单元结构的旋转角，正负取决于圆偏振光的偏振态。由此可见，基于几何相位的超构表面只需要通过旋转单元结构，就可以实现任意的相位分布，且其相位仅和旋转角及偏振态有关，和波长无关，因而其不受波长带宽的限制，可以实现超宽带下工作，也可以实现偏振成像。
超构表面的使用，一方面可以很好地矫正像差，另一方面可以降低系统的复杂度，减少传统透镜的使用，提高整个系统的集成度，降低系统的重量体积，以及降低装配难度。同时超构表面的新颖功能也可以进一步拓展系统的功能，比如实施例中的偏振成像功能。
本实施例中，系统的光学传递函数图如图4所示，由图可见，系统的光学传递函数曲线非常接近衍射极限曲线，且在50lp/mm处时，光学传递函数(OTF)模值仍然在0.5以上。在光学成像设计评价中，截止频率处的OTF模值高于0.5，即可认为系统的成像质量良好，在该系统中，当工作波段900-1700nm光谱波段的探测器像素大小为15μm时，探测器的截止频率为33.3lp/mm，此时该系统在此频率处的OTF模值高于0.6，故该系统的成像性能良好。
本实施例中，系统的光学点列图如图5所示，光学点列图是用于评价光学成像质量的又一重要指标，其反应了弥散斑的大小，当弥散斑的尺寸越接近艾里斑，系统的成像质量越高。由图可见，在各个视场下，该系统弥散斑的RMS半径均小于艾里斑半径，即使在最大的半视场角89°下，RMS半径也小于艾里斑半径，且弥散斑的GEO半径也均接近艾里斑半径，因此该系统的成像质量较高。
本实施例中，系统的轴向色差以及垂轴色差图如图6所示，轴向色差图显示了不同波长以入瞳高度为函数的轴向像差，纵坐标表示光瞳，横坐标表示轴向色差，由图可知，该系统的各个波长在各个入瞳高度的轴向像差均小于0.1mm，小于该谱段常用探测器像素与两倍F数的乘积(0.12mm)，因此该系统轴向色差较小。垂轴色差图显示了像平面上各个波长与主波长与像平面交点的距离之差，纵坐标表示视场，横坐标表示垂轴色差，由图可知，该系统的各个波长在各个视场的垂轴色差均小于8μm，小于该谱段常用探测器像素(15μm)，因此该系统图的垂轴色差较小，系统性能较好。综上可知，系统在整个工作波段以及整个广角视场下的色差均得到较好矫正。
上述成像系统可用于搭载在探测设备上，用于实现多场景成像。
由此可见，本发明提供的基于超构表面的超广角宽带偏振成像系统具有良好的成像性能。
以上设计过程、实施例及仿真结果很好地验证了本发明。
因此，上面结合附图对本发明的原理及具体实施方式进行了描述，但是本发明并不局限于上述具体实施方式，上述实施方式仅是示意性的，而不是限制性的。在本发明的指导下，以此基础进行的各种改进和变形，包括透镜面型、材料的替换、增减以及波段改变等，均在本发明的保护范围之内。本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种基于超构表面的超广角宽带偏振成像系统，其特征在于：该系统包括：从物方到像方依次为，具有负光焦度的第一透镜，线偏振片、1/4波片、光阑、具有正光焦度的第二透镜，具有正光焦度的第三透镜和超构表面；
其中，所述第一透镜、第二透镜、第三透镜物侧面和像侧面为平面或球面；
所述超构表面的单元结构的旋转角度为θ，通过设置不同旋转角度θ的单元结构实现宽带谱段下所述成像系统所需的相位分布。
2.根据权利要求1所述的一种基于超构表面的超广角宽带偏振成像系统，其特征在于：所述线偏振片和1/4波片为一体化设置，可共同绕光轴旋转。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于超构表面的超广角宽带偏振成像系统，其特征在于：所述第一透镜像侧面为凹面，第二透镜像侧面为凸面、第三透镜物侧面和像侧面均为凸面。
4.根据权利要求1或2所述的一种基于超构表面的超广角宽带偏振成像系统，其特征在于：所述成像系统中，Nd1>1.5，Nd2>1.8，Nd3>1.8，Vd1-Vd2>17，Vd1-Vd3>17；其中，Nd1为第一透镜的折射率，Nd2为第二透镜的折射率，Nd3为第三透镜的折射率，Vd1为第一透镜的色散系数，Vd2为第二透镜的色散系数，Vd3为第三透镜的色散系数。
5.根据权利要求1或2所述的一种基于超构表面的超广角宽带偏振成像系统，其特征在于：所述成像系统满足30mm<TTL<40mm，
Figure FDA0003407779690000011
其中，TTL为所述成像系统的光学总长，
Figure FDA0003407779690000012
为所述成像系统的光焦度，BFL为所述成像系统的光学后焦距。
6.根据权利要求1或2所述的一种基于超构表面的超广角宽带偏振成像系统，其特征在于：所述1/4波片为深度亚波长结构，周期为p且0.1λ0<p<0.5λ0；所述单元结构宽度为w且0.05λ0<w<0.2λ0；所述单元结构高度为h且0.1λ0<h<λ0，基底厚度不超过0.5mm；其中，λ0为中心波长。
7.根据权利要求1或2所述的一种基于超构表面的超广角宽带偏振成像系统，其特征在于：所述线偏振片为深度亚波长结构，其单元结构周期取值范围为0.08λ0～0.6λ0，宽度取值范围为0.04λ0～0.08λ0，高度取值范围为0.08λ0～0.5λ0；其中，λ0为中心波长。
8.根据权利要求1或2所述的一种基于超构表面的超广角宽带偏振成像系统，其特征在于：所述超构表面的单元结构中，上层介质柱的y方向中心间隔为pM且0.1λ0<pM<0.6λ0，x方向间隙为100nm，宽度为wM且0.1λ0<wM<0.3λ0，高度为hM且0.3λ0<hM<0.65λ0；其中，λ0为中心波长。
9.根据权利要求1或2所述的一种基于超构表面的超广角宽带偏振成像系统，其特征在于：通过微型电机控制线偏振片和1/4波片的转动，所述微型电机采用远程遥控控制。
10.一种探测设备，其特征在于：所述探测设备上搭载如权利要求1～9中任一项所述的成像系统。
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