CN114488525B - 一种超构表面成像系统、设计方法和探测器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超构表面成像系统、设计方法和探测器，其中，成像系统包括两个功能部分，基于二次相位的超构表面结构和波矢调控结构；超构表面结构可实现±89°视场成像，波矢调控结构，针对设计波长，存在临界角θt，当波矢调控结构的入射角大于临界角θt时，入射波将无法透过波矢调控结构；基于二次相位的超构表面结构可以实现超大视场成像，对入射角度敏感的波矢调控结构则可以在保持系统超薄的同时，极大地提高系统的成像质量。本发明设计的成像系统，具有超轻超薄、成像质量高等优点，可以实现大面积超薄大视场成像探测。

Description

一种超构表面成像系统、设计方法和探测器

技术领域

本发明涉及电磁波波前、波矢调控技术及大视场成像领域，特别涉及一种超构表面成像系统、设计方法和探测器。

背景技术

大视场成像在实际生活中应用很广泛，从日常的监控镜头到车载成像器件，大视场成像系统均发挥着重要作用。但传统光学元件组成的大视场成像系统往往由多个不同材料、面型的元件组成，因此存在体积大、重量大、系统组成复杂等问题，严重限制了其在集成化要求高的领域的发展。基于超构表面的大视场成像系统由于超构表面本身具有超轻超薄以及独特的光场调控能力的特性，在一定程度上解决了这类限制。但在这类系统中，基于二次相位的单片式超构表面虽然可以实现超大视场成像功能，但是面临着严重的球差和较大的背景噪声的问题，往往需要前置孔径光阑抑制球差，从而提高系统的成像性能，但是光阑与超构表面之间的距离会随着系统口径的增大而增大，因而系统的厚度会随之大幅增加，所以这类系统难以实现大面积超薄超大视场成像；而双层超构表面结构本质上也是将一块超构表面放置于前置光阑的位置，依然受到口径和厚度之间的相互制约，同时，其成像视场受限，难以实现较大视场成像，也难以实现大口径成像。此外，这类结构还面临着两块超构表面之间中心对准的问题，在装配、集成上难度较高。因此，如何实现大面积超薄大视场超构表面成像依然是一个亟待解决的问题。

发明内容

为了解决以上技术问题，本发明提出了一种超薄大视场超构表面成像系统、设计方法和探测器，成像系统可以在保持超轻薄特性的同时，实现大面积超大视场高质量成像功能。该成像系统由于使用了单片式基于二次相位的超构表面结构，因而摆脱了传统大视场成像系统所面临的系统体积大、重量重以及结构复杂的问题。同时，该系统还使用了对入射角度敏感的波矢调控结构，其结构轻薄，而且在不同的入射角度下有着不同的波矢调制作用，从而提高系统大视场成像质量和进一步降低系统的体积和重量，使系统不受到口径和厚度之间的制约关系，实现真正意义上的超薄大视场成像。本发明采用的系统设计，避免了传统基于二次相位的单片式超构表面系统中由于前置光阑的添加而带来的系统厚度随着口径增大而变厚的问题，而且组成简单，系统具有较高的可调节性，便于满足多种应用场景下的超薄大视场成像需求。

为实现上述目的，本发明解决其技术问题所采用的技术方案为：

一种超构表面成像系统，所述成像系统包括：

沿光轴方向依次设置的：基于二次相位的单片式超构表面结构（1）和波矢调控结构（3）；

所述基于二次相位的单片式超构表面结构（1）可实现±89°视场成像；所述波矢调控结构（3），针对所述成像系统的设计波长，存在临界角θt，当波矢调控结构（3）的入射角大于该临界角θt时，入射波将无法透过波矢调控结构（3），波矢调控结构（3）的每一位置均等效于一个光阑。

进一步的，所述成像系统满足0.25f≤D≤5f，0.4f≤TTL≤2f，其中，f为所述成像系统的焦距，D为所述成像系统的孔径光阑尺寸，TTL为成像系统的光学总长。

进一步的，所述基于二次相位的单片式超构表面结构（1）包括单元结构阵列和衬底（2），所述波矢调控结构（3）集成到所述衬底（2）上与所述单元结构阵列相对的一侧。

进一步的，所述单元结构阵列由单元结构组成，所述单元结构为亚波长柱体，其水平截面为圆形或正多边形，周期为p且0.1λ<p<λ，宽度为w且0.05p<w<p，高度为h且0.2λ<h<3λ；其中，当水平截面为圆形时，宽度w为直径，当水平截面为正多边形时，宽度w为边长，λ为所述成像系统的设计波长；所述单元结构材料为硅、二氧化钛或氮化硅，并以正六边形、正方形或正八边形排布在衬底（2）上；所述衬底（2）由蓝宝石或二氧化硅制成。

进一步的，所述波矢调控结构（3）由在功能上表现为窄带滤波片、短波通滤波片或带阻滤波片的结构来实现。

进一步的，所述波矢调控结构（3）为滤光片、F-P腔式超构表面或有滤波功能的超构表面。

本发明的再一方面，提供了一种超构表面成像系统的设计方法，所述方法应用于所述的超构表面成像系统中，该方法包括

包括步骤一：确定成像系统的设计波长λ，成像系统的孔径光阑尺寸D和焦距f，根据二次相位分布公式

，得到基于二次相位的超构表面结构的相位分布φ(r)；其中，r为超构表面结构不同位置处距离超构表面结构中心的距离，以及k₀=2π/λ，表示入射光在自由空间的波矢；转入步骤二；

步骤二：根据所述相位分布φ(r)和所述成像系统的设计波长选择超构表面结构材料，利用光学设计软件设计对应的超构表面结构的单元结构的几何参数及排布方式；转入步骤三；

步骤三：波矢调控结构（3）的每一位置均等效于一个光阑，确定波矢调控结构的临界角θt的值，θt的值决定了等效光阑的口径，包括：

步骤1）预设一个临界角初始值θt₀进行模拟成像仿真，和无波矢调控结构的成像系统对比，当具有临界角θt₀的成像系统设计的光学传递函数模值在0.25的时候，对应的空间频率提高，同时所选探测器在其截止频率处能探测到该对应的空间频率，则临界角θt的值为θt₀，转入步骤四；反之，转入步骤2）；

步骤2）微调θt₀后重复步骤1）；

步骤四：根据临界角θt的值设计波矢调控结构。

进一步的，所述超构表面结构材料包括单元结构材料和衬底材料，单元结构材料和衬底材料对所述设计波长λ的光波低损耗。

进一步的，步骤四中，所述根据临界角θt的值设计波矢调控结构，包括选择具有临界角θt的窄带滤波片、短波通滤波片和带阻滤波片中的任一种。

本发明的另一方面，提供了一种探测器，所述探测器包括如上所述的任一种成像系统。

所述成像系统根据设计得到的基于二次相位的超构表面成像结果来设计其对应的对入射角度敏感的波矢调控结构，从而在保持超薄的情况下，改善系统大视场下的成像质量。

本发明具有的有益效果在于：

首先，相比于基于传统光学元件的大视场成像以及目前提出的基于二次相位的超构表面大视场成像系统，本发明提出的系统设计，既避免了前者所面临的体积大、质量重以及组成复杂的问题，又避免了后者受到的因厚度随系统口径增大而无法达到超薄的限制；本发明提出的系统，不仅可以实现±89°超大视场的高质量成像，还具有超轻薄、紧凑的特性；

其次，相比于两片式超构表面结构，其中一块超构表面置于光阑的位置的设计，本发明的波矢调控结构只对入射角度敏感，不用于实现特定的相位分布，因此不存在常规超构表面面临的中心对准问题，降低了装配、集成的难度。

然后，该系统中的一体化设计，可调性高，既可以在主动照明条件下工作，又可以在室外环境的被动照明情况下使用。在主动照明时，所选光源能提供设计波长的光；室外环境使用时，由于环境中自然光位于一定波段范围内，可以在成像系统前端增设窄带滤波片，滤除环境中杂散光，从而在室外实现成像，因而系统可适用于多种应用场合。

最后，可根据实际应用需求来确定对入射角度敏感的波矢调控结构部分的集成位置，如果固定使用一个探测器与成像系统配套，可将波矢调控结构集成在探测器上，更方便超构表面结构的加工；如需根据成像需要，成像系统在不同应用场景下需搭配不同的探测器，此时可将波矢调控结构集成在超构表面结构，更方便探测器的更换。

附图说明

图1 (a)为传统单片式基于二次相位超构表面的成像示意图；

图1(b)为本发明的超薄大视场成像系统示意图；

图2(a)为本发明实施例中单元结构示意图以及单元结构排布方式示意图；

图2(b) 为本发明实施例中基于二次相位的超构表面结构的单元结构阵列局部俯视图；

图2(c) 为本发明实施例中基于二次相位的超构表面结构的单元结构的振幅和相位调制图；

图3(a)-图3(b)为本发明实施例中对入射角度敏感的波矢调控结构的调控示意图；

其中，图3 (a)为随入射角增大，波矢调控原理示意图；

图3 (b)为本实施例中所采用的波矢调控结构的光谱透过率曲线图；

图4(a)- 图4 (d)为无波矢调控结构系统和本发明实施例的成像性能对比图；

其中，图4 (a)为无波矢调控结构系统成像的点扩散函数(PSF)图；

图4 (b)为无波矢调控结构系统成像的光学传递函数模值(MTF)图，

图4 (c)为本发明实施例中系统成像的点扩散函数(PSF)图；

图4 (d)为本发明实施例中系统成像的光学传递函数模值(MTF)图；

图5(a)-图5(b)为无波矢调控结构系统和本发明实施例的中心线点扩散函数对比图；

其中，图5(a)为无波矢调控结构系统的中心线点扩散函数(PSF)图；

图5(b)为本发明实施例中系统的中心线点扩散函数(PSF)图；

图6(a)-图6(f)为无波矢调控结构系统和本发明实施例的成像模拟结果图及具体表征图；

其中，图6(a)、图6 (b)、图6 (c)分别为无波矢调控结构系统对分辨率靶的成像模拟结果图、对应的分辨率靶成像结果中6组4元素图、分辨率靶成像结果中6组4元素中心线的归一化强度图；

图6 (d)、图6 (e)、图6 (f) 分别为本实施例中系统对分辨率靶的成像模拟结果图、对应的分辨率靶成像结果中6组4元素图以及分辨率靶成像结果中6组4元素中心线的归一化强度图；

附图标记说明：

1-基于二次相位的超构表面结构，2-衬底，3-波矢调控结构。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式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。

如图1(a)所示为传统单片式基于二次相位的超构表面，其产生的二次相位分布公式为：

(1)

其中，φ(r)为超构表面的相位分布，r为超构表面结构不同位置处距离超构表面中心的距离；k₀=2π/λ，表示光在自由空间的波矢，λ为入射光波长，f为系统的焦距。

传统单片式基于二次相位的超构表面在口径增大的时候，不同视场（即不同入射角）的光均无法很好地聚焦在一点，存在较大的球差，因而成像质量较低。因为，当入射平行光以入射角θ入射到超构表面上时，其相位分布为：

(2)

上述相位公式中的k₀ xsinθ是斜入射引入的相位，由该公式可以看出，基于二次相位的超构表面在斜入射下，和正入射相比，只是在x方向发生空间偏移，偏移量为-fsinθ。即不同视场的入射光在焦面上发生了空间偏移，其焦点距离中心的偏移量为fsin(θ)。因此，传统单片式基于二次相位的超构表面可以实现超大视场成像，但同时它也引入了较大的球差问题，如图1(a)所示，严重降低了系统的成像质量。

针对该问题，目前已提出的解决方法是通过前置光阑来缩小口径，抑制球差，但是这种方法当系统的口径增大时，光阑与超构表面之间的距离也会与口径大小成正比增加，从而导致系统的厚度会随着口径的增大而增大，进一步增加了系统的体积、重量，不利于轻量化应用。而另一种方法则是设计两片式超构表面结构，其中一块超构表面置于光阑的位置，而这种方法也受到口径和厚度之间的相互制约，即两块超构表面之间的距离也会与口径大小成正比增加，从而导致系统的厚度会随着口径的增大而增大同时，也难以实现大口径成像。此外，这类结构还面临着两块超构表面之间中心对准的问题，在装配、集成上难度较高。

因此，为了解决上述问题，即减小系统的体积、重量、抑制球差、实现真正意义上的超薄大视场成像及大面积成像，本发明公开了一种超薄大视场超构表面成像系统及设计方法。如图1(b)所示，该超薄大视场超构表面成像系统，包括基于二次相位的超构表面结构1和对入射角度敏感的波矢调控结构3。其中，基于二次相位的超构表面结构1可以实现±89°超大视场成像，波矢调控结构3则可以在保持超薄的同时，极大地提高系统的成像质量。同时，波矢调控结构3既可以集成到如图1(b)所示的超构表面结构1的衬底2的另一侧，也可以将波矢调控结构3直接集成到探测器上，与探测器构成一体化结构，实现紧凑、轻薄的高度集成系统。探测器用于接收成像系统的光波，其结构为本领域技术人员所熟知，故不在附图中示出。可根据实际应用需求来确定波矢调控结构3的集成位置，如果固定使用一个探测器与成像系统配套，可将波矢调控结构3集成在探测器上，更方便超构表面结构的加工；如需根据实际需要，成像系统在不同应用场景下搭配不同的探测器，此时可将波矢调控结构3集成在超构表面结构1上，更方便探测器的更换。

本实施例中，成像系统的设计波长为830nm，该发明同样适用于可见光波段以及红外波段的其它波长，只需要按本发明中给出的设计方法对成像系统的材料和参数进行合适的设计及优化。成像系统满足0.25f≤D≤5f，0.4f≤TTL≤2f，其中，f为成像系统的焦距，D为成像系统孔径光阑的大小，这里，超构表面结构1的直径等于系统孔径光阑的大小D，TTL为系统的光学总长，系统的光学总长如图1(b)所示是指从成像系统的第一面到探测器的感光面（图1（b）中的像面）之间的距离。设计出的成像系统能实现178°的大视场。本实施例中，系统的焦距f为5mm，系统孔径光阑D为11mm，光学总长TTL为6.38mm，而系统中光学元件的厚度只有2.45mm，因此具有轻薄的特性。

如图2(a)- 图2 (c)所示，基于二次相位的超构表面结构1包括亚波长单元结构阵列，由亚波长单元结构组成，其单元结构为亚波长柱体，周期为p且0.1λ<p<λ；单元结构宽度为w且0.05p<w<p，其水平截面可以为圆形或正多边形，当水平截面为圆形时，宽度w为直径，当水平截面为正多边形时，宽度w为边长；单元结构高度为h且0.2λ<h<3λ；其中，λ为成像系统设计波长。其单元结构的材料可由硅、二氧化钛或氮化硅制成，并以正六边形、正方形或正八边形晶格排布在衬底2上；衬底2由蓝宝石或二氧化硅制成。本实施例中，超构表面结构1单元结构的材料为硅，衬底材料为蓝宝石，以六边形晶格排布，如图2(a)所示。根据传输相位原理，通过在超构表面结构不同位置处设计不同尺寸的单元结构，本实施例中为亚波长柱体，来实现系统所需的相位分布，本领域技术人员可利用超构表面知识，使用光学设计软件对单元结构的具体排布进行设计以实现二次相位分布。本实施例中，经光学软件设计的超构表面结构1单元结构的排布局部示意图如图2(b)所示，单元结构为亚波长方柱，其周期p为390nm，高度h为600nm，宽度w的变化范围为90~185nm。如图2(c)所示，本实施例的超构表面结构1可以实现2π的相位覆盖，且其效率较高。

根据设计得到的基于二次相位的超构表面成像结果来设计其对应的对入射角度敏感的波矢调控结构3，可以在保持系统超薄的情况下，改善系统大视场下的成像质量。如图3(a)所示，当入射角度增大时，波矢调控结构3允许透射的光的波长会向着短波长方向移动，即发生蓝移。也就是说针对某一入射波长，存在一个临界角θt，当波矢调控结构3的入射角大于临界角θt时，该处的入射波将无法透过波矢调控结构3。图中，虚线表示成像系统的设计波长。因此，波矢调控结构3的每一位置均等效于一个光阑，是否允许入射光的通过由临界角决定。在某一设计波长下，入射到波矢调控结构3的入射角大于临界角θt的光波无法透过波矢调控结构3，从而有效抑制像面处的球差和背景噪声，提高系统的成像质量。

波矢调控结构3可由在功能上表现为窄带滤波片、短波通滤波片或带阻滤波片的结构来实现，例如滤光片（如多层膜干涉滤波片）、F-P腔式超构表面或其它有滤波功能的超构表面等。波矢调控结构3只对入射角度敏感，不用于实现特定的相位分布，因此不存在常规超构表面的中心对准问题。在本实施例中，波矢调控结构3采用的是由传统多层膜结构组成的窄带滤波片来实现波矢调控功能，临界角为12.5°，如图3(b)所示，其在系统设计波长下的透过率会随着入射角度发生变化。

以下结合附图对超薄大视场成像系统的原理进行说明：

如附图1（b）所示，大视场的平行入射光斜入射到超构表面结构1上，这里以入射角为89°进行说明，入射光透过衬底2后入射到波矢调控结构3上，当波矢调控结构3上的入射角大于设计的临界角θt时，本实施例中为12.5°，入射光将无法透过波矢调控结构3。入射角小于12.5°的入射光透过波矢调控结构3，并聚焦在距离像面中心偏移量为fsin(89°)处，形成清晰成像。

为了针对不同的设计波长，设计不同的成像系统，这里介绍该超薄大视场超构表面结构成像系统的设计方法。

步骤一：确定目标设计波长λ，系统的孔径光阑D和焦距f，根据二次相位分布公式

，得到基于二次相位的超构表面结构的相位分布φ(r)；

步骤二：根据相位分布φ(r)，针对设计波长选择超构表面结构材料，包括单元结构材料和衬底材料，本领域技术人员可以根据设计波长λ，在常规光学材料中选择该波段所对应的低损耗材料；在本实施例的设计波长为830nm时，单元结构由硅、二氧化钛或氮化硅制成，衬底2由蓝宝石或二氧化硅制成；利用光学设计软件去设计对应的超构表面结构单元结构几何参数及排布方式，本领域技术人员可以按照实际需要，选择具体的光学设计软件，如CST、FDTD等。

步骤三：确定波矢调控结构3的临界角θt的值：预设一个临界角初始值θt₀进行模拟成像仿真，验证设计效果，和无波矢调控结构3的成像系统对比，该设计的光学传递函数模值在0.25的时候，对应的空间频率有提高，可以分辨出更高频的信息，同时在所选择探测器的截止频率处也能探测到该对应的空间频率，则临界角θt的值为θt₀；反之，微调θt₀后重复步骤三，直至满足前述要求为止。

步骤四：根据临界角θt的值设计波矢调控结构3。如选择具有临界角θt的窄带滤波片、短波通滤波片或带阻滤波片。

为了更加直观地说明采用本设计方法设计的成像系统的优越性，以下对单层基于二次相位的超构表面结构和本成像系统进行了成像性能以及成像模拟效果对比。图4(a)-图4 (d)为无波矢调控结构3和本发明实施例的成像性能对比图，其中，图4 (a)为无波矢调控结构系统成像的点扩散函数(PSF)图，图4 (b)为无波矢调控结构系统成像的光学传递函数模值(MTF)图，图4 (c)为本发明实施例中系统成像的点扩散函数(PSF)图，图4 (d)为本发明实施例中系统成像的光学传递函数模值(MTF)图。点扩散函数和光学传递函数是衡量光学系统成像性能的重要指标。点扩散函数尺寸越小越接近艾里斑以及光学传递函数的值越接近1，系统的成像性能越好。通过对比图4(a)和图4(c)可以看出，单片式二次相位超构表面结构系统的点扩散函数半径小于本实施例，为了更加直观地表示系统的点扩散函数，这里将中心线（如图4(a) 和图4 (c)中的虚线所示）的点扩散函数画出来并得到其半高全宽值，如图5(a)-图5(b)所示，图中灰色部分为艾利斑大小范围内的区域。由图可知，单层基于二次相位的超构表面结构的半高全宽为1.25μm，本实施例中成像系统的半高全宽为2.79μm，这是因为由于对入射角度敏感的波矢调控结构3的作用，系统的等效数值孔径发生了变化，进而导致对应的艾里斑大小发生了改变。在理想的无像差光学系统中，艾利斑内的聚光强度为100%，所以系统艾利斑内聚光强度越高，系统的像差越小。从图5(a)可以看出，无波矢调控结构的点扩散函数边缘值仍然比较高，艾利斑内的聚光强度低，具体数值为6.96%，所以其像差大，背景杂光较多，系统成像质量较低。如图5(b)所示，本实施例中成像面上艾利斑的范围内聚光比例很高，为92.18%，比无波矢调控结构的系统更接近100%，系统接近无像差系统，成像质量更高。通过对比图4(b)和图4(d) 光学传递函数图可以看出，本实施例的光学传递函数要远高于单片式二次相位超构表面结构系统。根据实际经验，当系统的MTF值高于0.25时，认为此时对应的线对尺寸是可以分辨的大小，从图中可以看出，无波矢系统调控在MTF为0.25时，空间频率值为45线对每毫米，而本实施例中系统MTF为0.25时，对应的空间频率值为235线对每毫米，相比无波矢调控的系统，本实施例中系统分辨率提高至其5倍以上。所以综合这两点可以看出，本实施例的系统成像性能要优于单片式二次相位超构表面结构系统。

为了进一步阐明波矢调控结构3对系统成像质量的提高，本实施例中通过对USAF1951分辨率靶进行成像仿真验证。图6(a)-图6(f)为无波矢调控结构系统和本发明实施例的成像模拟结果图及具体表征图，其中，图6 (a)、图6 (b)、图6 (c)分别为无波矢调控结构系统在正入射情况下系统对分辨率靶的成像模拟结果图、对应的分辨率靶成像结果中6组4元素图、分辨率靶成像结果中6组4元素中心线的归一化强度图，图6 (d)、图6 (e)、图6(f) 分别为本实施例中系统在正入射情况下系统对分辨率靶的成像模拟结果图、对应的分辨率靶成像结果中6组4元素图以及分辨率靶成像结果中6组4元素中心线的归一化强度图。通过对比图6(a)和图6(d)可以看出，本实施例中系统的成像质量较高，和目标分辨率靶图很接近，因此本实施例的成像结果要优于无波矢调控系统的成像结果。为了具体化表征以及对比，图6(b)和图6(e)分别截取并放大两个系统的6组4元素的成像模拟结果图，可以清晰得看到，本实施例的背景杂光远小于无波矢调控系统的。对比度常用来反映成像系统的分辨能力，其为成像结果中强度最高区域与强度最低区域之间的比率，对比度的值越大，系统的成像分辨率越高。因此这里对6组4元素的成像对比度进行具体分析，如图6(c)和图6(f)所示，无波矢调控结构的系统成像对比度较低，其成像模拟结果对比度仅为0.2688，而本实施例成像结果中，分辨率靶6组4元素中心线的成像模拟结果对比度为0.9185，和无波矢调控结构的系统对比度相比，提高很多，因此系统的成像质量相比于无波矢调控成像系统提高较多。

由此可见，本发明提供的系统以及设计方法，可以实现大口径下超薄超大视场成像，且成像质量较高。和传统的超大视场成像系统相比，该系统采用的是平面一体化的设计，不仅在结构上更为紧凑、轻薄，且装配难度低，更利于应用于微型化以及平面化要求高的系统中。和当前已经提出的基于超构表面结构的超大视场成像系统相比，该系统在大口径成像下，不仅不会受到口径影响导致厚度增加，继续保持超轻超薄的特性，还可以保持较高的成像质量。因此，本发明提供的系统和设计方法在大口径超薄大视场成像领域具有较大的应用潜力。

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实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权力要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。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)

1.一种超构表面成像系统，其特征在于，所述成像系统包括：

沿光轴方向依次设置的：基于二次相位的单片式超构表面结构（1）和波矢调控结构（3）；

所述基于二次相位的单片式超构表面结构（1）可实现±89°视场成像；所述波矢调控结构（3），针对所述成像系统的设计波长，存在临界角θt，当波矢调控结构（3）的入射角大于该临界角θt时，入射波将无法透过波矢调控结构（3），波矢调控结构（3）的每一位置均等效于一个光阑。

2.根据权利要求1所述的一种超构表面成像系统，其特征在于，所述成像系统满足0.25f≤D≤5f，0.4f≤TTL≤2f，其中，f为所述成像系统的焦距，D为所述成像系统的孔径光阑尺寸，TTL为成像系统的光学总长。

3.根据权利要求1所述的一种超构表面成像系统，其特征在于，所述基于二次相位的单片式超构表面结构（1）包括单元结构阵列和衬底（2），所述波矢调控结构（3）集成到所述衬底（2）上与所述单元结构阵列相对的一侧。

4.根据权利要求3所述的一种超构表面成像系统，其特征在于，所述单元结构阵列由单元结构组成，所述单元结构为亚波长柱体，其水平截面为圆形或正多边形，周期为p且0.1λ<p<λ，宽度为w且0.05p<w<p，高度为h且0.2λ<h<3λ；其中，当水平截面为圆形时，宽度w为直径，当水平截面为正多边形时，宽度w为边长，λ为所述成像系统的设计波长；所述单元结构材料为硅、二氧化钛或氮化硅，并以正六边形、正方形或正八边形排布在衬底（2）上；所述衬底（2）由蓝宝石或二氧化硅制成。

5.根据权利要求1所述的一种超构表面成像系统，其特征在于，所述波矢调控结构（3）由在功能上表现为窄带滤波片、短波通滤波片或带阻滤波片的结构来实现。

6.根据权利要求5所述的一种超构表面成像系统，其特征在于，所述波矢调控结构（3）为滤光片、F-P腔式超构表面或有滤波功能的超构表面。

7.一种超构表面成像系统的设计方法，应用于权利要求1-6中任一项所述的超构表面成像系统中，其特征在于，所述方法包括：

步骤一：确定成像系统的设计波长λ，成像系统的孔径光阑尺寸D和焦距f，根据二次相位分布公式

，得到基于二次相位的超构表面结构的相位分布φ(r)；其中，r为超构表面结构不同位置处距离超构表面结构中心的距离，以及k₀=2π/λ，为入射光在自由空间的波矢；转入步骤二；

步骤二：根据所述相位分布φ(r)和所述成像系统的设计波长选择超构表面结构材料，利用光学设计软件设计对应的超构表面结构的单元结构的几何参数及排布方式；转入步骤三；

步骤三：波矢调控结构（3）的每一位置均等效于一个光阑，确定波矢调控结构的临界角θt的值，θt的值决定了等效光阑的口径，包括：

步骤1）预设一个临界角初始值θt₀进行模拟成像仿真，和无波矢调控结构的成像系统对比，当具有临界角θt₀的成像系统设计的光学传递函数模值在0.25的时候，对应的空间频率提高，同时所选探测器在其截止频率处能探测到该对应的空间频率，则临界角θt的值为θt₀，转入步骤四；反之，转入步骤2）；

步骤2）微调θt₀后重复步骤1）；

步骤四：根据临界角θt的值设计波矢调控结构。

8.根据权利要求7所述的一种超构表面成像系统的设计方法，其特征在于，所述超构表面结构材料包括单元结构材料和衬底材料，单元结构材料和衬底材料对所述设计波长λ的光波低损耗。

9.根据权利要求7所述的一种超构表面成像系统的设计方法，其特征在于，步骤四中，所述根据临界角θt的值设计波矢调控结构，包括选择具有临界角θt的窄带滤波片、短波通滤波片或带阻滤波片中的任一种。

10.一种探测器，其特征在于，所述探测器包括权利要求1至6中任一项所述的成像系统。

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