CN115166947B - 一种轻型混合式超构红外镜头及其设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种轻型混合式超构红外镜头及其设计方法，该方法包括如下步骤：选择球面镜作为轻型混合式超构红外镜头的第一透镜，选择超构表面作为轻型混合式超构红外镜头的第二透镜；超构表面包括三种具有C4对称性的纳米柱，三种具有C4对称性的纳米柱作为三种超构原子，三种超构原子包括圆环柱型超构原子、圆柱型超构原子和方柱型超构原子；确定三种超构原子的相位突变与透过率信息和第二透镜的相位轮廓，基于相位轮廓以及透过率要求对三种不同尺寸的超构原子进行匹配得到超构表面的结构放置信息；将若干三种超构原子阵列按结构放置信息放置于基底上，与第一透镜组合形成轻型混合式超构红外镜头。最终实现成像系统重量显著降低。
Description
技术领域
本发明涉及红外热成像技术领域，具体涉及一种轻型混合式超构红外镜头及其设计方法。
背景技术
近些年，红外热成像设备行业也在疾速发展，设备小型化轻型化，无人机搭载红外光电载荷，利用红外热成像技术从空中探测红外辐射，通过红外热像图，快速锁定监测目标，充分了解现场信息，帮助地面指挥人员尽快做出可靠的解决方案，可以大幅减少人力或代替人力完成各类复杂作业环境下的巡检工作，大大提升了巡检效率。高集成度的红外热像仪测温组件与无人机的飞控系统深度整合，是无人机红外热成像技术的主要工作原理，红外热像仪测温组件依赖于光学红外镜头的设计，成像效果也受到红外透镜的曲率、镜片厚度、镜筒及镜片材料的影响。在保证成像质量的前提下，最大限度减少镜片数量，改进复杂的红外热成像系统，使得所设计红外成像镜头总重量显著低于常规镜头系统，从而达到减轻镜头重量的效果，也间接提升了无人机的飞行稳定性和工作续航时间。然而在远红外波段光学系统在使用非球面镜成像情况下，至少两片或两片以上数量镜片组合才可满足消除基本像差实现良好的成像需求，如此将面临无法使高质量成像与重量减轻兼得的难题。
随着微纳加工技术的进步，对于光学的研究逐渐从传统的折射光学慢慢延伸到衍射光学，甚至到了平面光学范畴。超构表面(Meta surface)是一类由一种或多种微纳级别尺寸的超构原子组成的二维平面结构，通过研究发现，通过精确地引入相位突变实现对电磁波的振幅、相位、偏振等光学性质的任意调控。不同于基于相位积累来实现电磁波波前调控的传统光学器件，超构表面具有超薄、超轻、易于集成等优点。
发明内容
有鉴于此，为了解决现有技术中的上述问题，本发明提出一种轻型混合式超构红外镜头及其设计方法，基于传输相位调控的机理，经过对三种C4对称超构原子的突变相位和透过率进行精确筛选，实现透镜相应位置的高透过率以及精准相位，最终实现成像系统重量显著降低。
本发明通过以下技术手段解决上述问题：
一方面，本发明提供一种轻型混合式超构红外镜头的设计方法，包括如下步骤：
S1、选择球面镜作为轻型混合式超构红外镜头的第一透镜，选择超构表面作为轻型混合式超构红外镜头的第二透镜；
S2、超构表面包括三种具有C4对称性的纳米柱，三种具有C4对称性的纳米柱作为三种超构原子，三种超构原子的尺寸不同，引起不同相位突变，三种超构原子包括圆环柱型超构原子、圆柱型超构原子和方柱型超构原子；
S3、确定一定尺寸范围内的三种超构原子相位突变与透过率信息以及第二透镜的相位轮廓，基于相位轮廓以及透过率要求对三种不同尺寸的超构原子进行匹配得到超构表面的结构放置信息；
S4、将若干三种超构原子阵列按结构放置信息放置于基底上，与第一透镜组合形成轻型混合式超构红外镜头。
进一步地，所述第一透镜的玻璃材料为锗材料，第二透镜的基底为氟化钡材料。
进一步地，圆环柱型超构原子内径Rin的范围为0.4μm～1.4μm，外径Rout的范围为1.6μm～2.6μm；圆柱型超构原子半径R的范围为0.5μm～2.5μm；方柱型超构原子边长a的范围为2μm～5.5μm。
进一步地，三种超构原子的高度H均为6.8μm。
进一步地，对原始第二透镜的相位轮廓进行多个采样点的数值提取以及多阶多项式拟合，得到第二透镜相位轮廓函数曲线表达式。
进一步地，对三种超构原子在周期性边界条件下扫描得到在设定变量范围内的相位突变结果和透过率分布。
进一步地，将函数曲线相位轮廓值和三种超构原子相位突变同时归于-π到π的范围，二者进行匹配即可完成超构表面的结构选择；在匹配过程中避开结构扫描产生共振时对应尺寸的结构，最终实现整个第二透镜范围内的结构覆盖。
进一步地，圆环柱型超构原子最低透过率设定为95％，相位误差精度为圆柱型超构原子最低透过率设定为90％，相位误差精度为/>方柱型超构原子最低透过率设定为81.5％，相位误差精度为/>
另一方面，本发明提供一种轻型混合式超构红外镜头，包括依次设置的第一透镜和第二透镜；
所述第一透镜为球面镜，所述第二透镜为超构表面；
所述超构表面包括基底和三种具有C4对称性的纳米柱；三种具有C4对称性的纳米柱作为三种超构原子，三种超构原子的尺寸不同，引起不同相位突变，三种超构原子包括圆环柱型超构原子、圆柱型超构原子和方柱型超构原子；
若干三种超构原子阵列按结构放置信息放置于基底上；
所述结构放置信息通过如下方式获得：确定一定尺寸范围内的三种超构原子相位突变与透过率信息以及第二透镜的相位轮廓，基于相位轮廓以及透过率要求对三种不同尺寸的超构原子进行匹配得到超构表面的结构放置信息。
进一步地，对原始第二透镜的相位轮廓进行多个采样点的数值提取以及多阶多项式拟合，得到第二透镜相位轮廓函数曲线表达式；
对三种超构原子在周期性边界条件下扫描得到在设定变量范围内的相位突变结果和透过率分布；
将函数曲线相位轮廓值和三种超构原子相位突变同时归于-π到π的范围，二者进行匹配即可完成超构表面的结构选择；在匹配过程中避开结构扫描产生共振时对应尺寸的结构，最终实现整个第二透镜范围内的结构覆盖。
与现有技术相比，本发明的有益效果至少包括：
本发明将传统热成像红外镜头转变为由传统红外镜片和超构表面组成的混合式超构红外镜头，从减少红外热成像镜头重量的角度出发，用超构表面替换传统镜片，并将透镜组中非球面镜片转变为球面镜，通过超构表面来补偿此步骤所带来的影响，同时解决了非球面加工难、成本高的问题。
本发明基于传输相位调控的机理，经过对三种C4对称超构原子的突变相位和透过率进行精确筛选，实现透镜相应位置的高透过率以及精准相位，工作波长10.6μm，实现混合光学系统的聚焦。最终实现成像系统重量显著降低，并为更高难度的镜头设计的提供思路。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述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他的附图。
图1是本发明轻型混合式超构红外镜头的设计方法的流程图；
图2(a)是传统成像镜组平面示意图；图2(b)是混合两片镜成像系统平面示意图；
图3是混合式超构红外镜头第二透镜光学二元面相位曲线以及10阶多项式拟合结果以及残差图，透镜等比例缩小至直径180μm；
图4是三种纳米原子相位扫描和透射率扫描结果；其中图4(a)、图4(b)为圆环柱纳米原子的相位分布和透射率，图4(c)、图4(d)为圆柱纳米原子的相位分布曲线和透射率曲线，图4(e)、图4(f)方柱原子的相位分布曲线和透射率曲线；
图5是混合红外镜头系统结构示意图及超构表面纳米原子结构分布，第一透镜以及超构透镜半径R＝90μm。
图6是混合红外光学成像系统在不同线偏振光下超构透镜的远场分布图和焦点的强度分布曲线。其中，图6(a)、图6(b)依次为X线偏振光(XP)入射和Y线偏振光(YP)入射的情况。图6(a)为工作波长10.6μm，X偏振光入射下，混合式红外超构透镜系统的光强远场分布及系统焦点处x-y平面的光场强度分布以及曲线；图6(b)为Y偏振光入射下情况结果。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面将结合附图和具体的实施例对本发明的技术方案进行详细说明。需要指出的是，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
如图1所示，本发明提供一种轻型混合式超构红外镜头的设计方法，包括如下步骤：
S1、建立传统成像镜组，所述传统成像镜组第一透镜为双面非球面镜，第二透镜为曲率相同的双凸透镜；将第一透镜由非球面镜变为球面镜，第二透镜替换为超构表面；
S2、超构表面包括三种具有C4对称性的纳米柱，三种具有C4对称性的纳米柱作为三种超构原子，三种超构原子的尺寸不同，引起不同相位突变，三种超构原子包括圆环柱型超构原子、圆柱型超构原子和方柱型超构原子；
S3、确定三种超构原子的相位与透过率信息和传统成像镜组转换优化后第二透镜的相位轮廓，基于相位轮廓以及透过率要求对三种不同尺寸的超构原子进行匹配得到超构表面的结构放置信息；
S4、将若干三种超构原子阵列按结构放置信息放置于基底上，与第一透镜组合形成轻型混合式超构红外镜头。
本实施例传统成像镜组使用两片镜片材料，其中材料为锗(Ge)玻璃，第一透镜是双面均为偶次非球面面型的负透镜，第二透镜是双面均为球面面型且曲率半径相同的聚焦透镜。入瞳孔经均为20mm，设计波长为10.6μm，光学F/#为1。整个镜头系统可以实现对10.6μm波长光线的良好聚焦，如图2(a)所示。将第一透镜的非球面面型转换为球面镜，同时将具有聚焦功能的第二透镜替换为超构表面，图2(b)展示了替换后混合镜头系统(本发明轻型混合式超构红外镜头)的结构示意图，入瞳孔经均为20mm，光学F/#为1，第一透镜玻璃材料为锗(Ge)材料，第二透镜转变为超构透镜的基底为氟化钡(BaF2)材料。在光学设计软件中设定为二元面型以获取后续设计超构表面的相位轮廓。其中超构表面所承载的补偿相位由两部分构成，一是第一透镜非球面面型转变为球面面型所带来的相位补偿；二是原第二透镜自身聚焦作用的相位需求。读取光学软件中二元面型的相位信息，为下一步挑选超构原子，构造超构表面做准备。
由于ANSYS中时域有限差分法(finite-difference time-domain，FDTD)在超构透镜尺寸仿真时的计算机硬件限制，在光学软件中将透镜尺寸整体缩小至180μm，原则为全局缩小，等比例变化，并不引起镜头关键性参数的本质变化，原始传统成像镜组的第一透镜厚度为54微米，第二透镜厚度45微米，第一透镜厚度与第二透镜间距为90微米；本发明设计混合红外光学镜头的第一透镜转变为球面透镜，厚度54微米的锗材料，第二透镜厚度变为4.5微米的氟化钡(BaF2)材料平板，设置二元相位面，优化后得到完整系统。光学软件获取的二元面型的相位轮廓，与传统超构透镜聚焦相位公式计算得到相位分布是完全不同的，对该相位曲线进行1024个采样点的数值提取以及对1024个相位点进行多阶多项式拟合，得到相位曲线的函数表达式，其中多项式阶数越多，拟合结果的残差更小，最后选择了10阶多项式拟合。如图3所示二元相位面相位分布、拟合多项式入瞳直径为180μm的透镜组中第二透镜的相位与x方向位置的函数关系式及残差图。
在FDTD中，从超构原子的对称性出发，选用环柱、圆柱、方柱这类具有C4对称的纳米结构作为超构原子，进行超构表面的设计。本发明使用上述三种纳米原子构成超构表面：纳米环柱(内径Rin的范围0.4μm～1.4μm，外径Rout的范围1.6μm～2.6μm)、纳米圆柱(半径R的范围0.5μm～2.5μm)、纳米方柱(边长a的范围：2μm～5.5μm)，三种纳米原子的高度H均为6.8μm，调控工作波长λ＝10.6μm，纳米原子的结构周期为6μm，对三种单个锗(Ge)纳米原子，氟化钡(BaF2)基底以周期性边界条件下进行扫描，得到在设定变量范围内纳米原子的相位突变结果和透过率分布，如图4所示，其中图4(a)、图4(b)展示了圆环柱纳米原子的内外径扫描仿真所得相位和透射率结果，图4(c)、图4(d)展示圆柱纳米原子的半径扫描仿真所得相位曲线和透射率曲线，图4(e)、图4(f)方柱原子的边长扫描仿真所得相位曲线和透射率曲线。可以明显看到相位曲线和透过率曲线中的相同位置存在一系列的毛刺现象，其原因是对应尺寸的结构在FDTD仿真中产生了耦合共振现象，导致了相位和透过率结果不准确，但是由图中可以得到三种结构在较高透射率范围内的相位均覆盖0到2π范围，增加了挑选结构容忍度，可以挑选到任意所需要的相位结构。将图3中拟合曲线中的相位轮廓和三种结构相位扫描结果中的纵坐标相位同时归到-π到π的范围，二者进行匹配即可完成结构选择，值得注意的是需要在结构匹配过程中避开结构扫描产生共振时对应尺寸的结构，最终实现整个透镜范围内精确匹配相位的结构覆盖。
根据光学软件提取混合系统二元面的相位轮廓对三种纳米原子尺寸进行挑选，原则上优先挑选高相位精度和高透过率的纳米原子。其中不同结构设定的最低透过率和相位误差精度的要求不同，不断优化三种纳米柱的最低透过率和相位误差的数值搭配，实现了个180μm透镜范围内的结构覆盖，如表1(a)、表1(b)、表1(c)所示，纳米环柱的最低透过率设定为95％，相位误差精度为纳米圆柱的最低透过率设定为90％，相位误差精度为/>纳米方柱的最低透过率设定为81.5％，相位误差精度为/>由于超构透镜的相位函数对称性以及纳米原子的C4对称性，仅展示超构透镜四分之一部分的结构分布结果，如图4(d)，剩余四分之三部分的结构尺寸与该四分之一部分完全对称，纳米原子结构周期为6μm，整个透镜将放置30*30共900个纳米原子。
表1三种纳米原子形貌，挑选原则以及每一种结构在圆形平板上的具体分布，其中(a)纳米环柱内径Rin的范围：0.4μm～1.4μm范围内，外径Rout的范围：1.6μm～2.6μm，最低透过率设定为95％，相位误差精度为(b)纳米圆柱半径R的范围0.5μm～2.5μm，最低透过率设定为90％，相位误差精度为/>(c)纳米方柱边长a的范围：2μm～5.5μm，最低透过率设定为81.5％，相位误差精度为/>三种纳米原子的高度H均为6.8μm，调控工作波长λ＝10.6μm，周期为6μm。
将对应尺寸的超构原子放置在氟化钡(BaF2)基底上完成超构表面的设置，如图5所示混合红外光学成像镜头系统示意图以及超构表面纳米原子结构分布。计算了20毫米直径的混合透镜组以及初始设计传统透镜的重量，传统透镜组质量约为44.83克，混合透镜组质量约为21.05克，重量减轻约53％。
为展示本发明设计的轻型混合式超构红外系统聚焦的偏振无关特性，图6给出了在不同线偏振光下超构透镜的远场分布图和焦点的强度分布曲线。如图6所示，在工作波长下，X偏振光或Y偏振光入射时，超构透镜的焦点光斑均十分对称，并且焦距相近。表1给出了在X和Y偏振光下超构透镜的实际焦距、聚焦效率和FWHM。混合红外镜头系统在X偏振光入射时，后焦距115.636μm，实际焦距120.136μm，聚焦效率为22.190％，半峰值带宽(FWHM)为9.091μm。在Y偏振光入射时，后焦距115.636μm，实际焦距120.136μm，聚焦效率为22.190％，半峰值带宽(FWHM)为9.091μm。
超构表面通过引入相位突变实现对电磁波的振幅、相位、偏振等光学性质的任意调控。本发明从降低红外热成像系统重量进行镜头设计的方向出发，提出一种将传统热成像红外镜头转变为由传统红外镜片和超构表面组成的混合式红外光学成像镜头。用超构表面替换传统镜片，并将第一透镜转变为球面镜，解决了非球面加工难、成本高的问题，系统中传统透镜与超构表面组合成像，相互配合，最初实现混合系统设计。基于传输相位调控的机理，经过对三种C4对称超构原子的突变相位和透过率进行精确筛选，实现透镜相应位置的高透过率以及精准相位调控，工作波长10.6μm，FDTD仿真结果表明，混合光学系统可以实现良好聚焦。对于直径20毫米透镜组，优化后混合光学成像系统相比传统镜头系统重量减轻约53％，可以达到间接提升无人机稳定性和工作续航性能的效果，为更为复杂的红外热成像镜头的发展提供思路，也为无人机载红外镜头的技术进步提供可能。
实施例2
本发明提供一种轻型混合式超构红外镜头，包括依次设置的第一透镜和第二透镜；
所述第一透镜为球面镜，所述第二透镜为超构表面；
所述超构表面包括基底和三种具有C4对称性的纳米柱；三种具有C4对称性的纳米柱作为三种超构原子，三种超构原子的尺寸不同，引起不同相位突变，三种超构原子包括圆环柱型超构原子、圆柱型超构原子和方柱型超构原子；
若干三种超构原子阵列按结构放置信息放置于基底上；
所述结构放置信息通过如下方式获得：确定三种超构原子的相位与透过率信息和第二透镜的相位轮廓，基于相位轮廓以及透过率要求对三种不同尺寸的超构原子进行匹配得到超构表面的结构放置信息。
本实施例中的其他特征与实施例1相同，故在此不再赘述。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种轻型混合式超构红外镜头的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、选择球面镜作为轻型混合式超构红外镜头的第一透镜，选择超构表面作为轻型混合式超构红外镜头的第二透镜；
S2、超构表面包括三种具有C4对称性的纳米柱，三种具有C4对称性的纳米柱作为三种超构原子，三种超构原子的尺寸不同，引起不同相位突变，三种超构原子包括圆环柱型超构原子、圆柱型超构原子和方柱型超构原子；
S3、确定一定尺寸范围内的三种超构原子相位突变与透过率信息以及第二透镜的相位轮廓，基于相位轮廓以及透过率要求对三种不同尺寸的超构原子进行匹配得到超构表面的结构放置信息；
S4、将若干三种超构原子阵列按结构放置信息放置于基底上，与第一透镜组合形成轻型混合式超构红外镜头。
2.根据权利要求1所述的轻型混合式超构红外镜头的设计方法，其特征在于，所述第一透镜的玻璃材料为锗材料，第二透镜的基底为氟化钡材料。
3.根据权利要求1所述的轻型混合式超构红外镜头的设计方法，其特征在于，圆环柱型超构原子内径Rin的范围为0.4μm～1.4μm，外径Rout的范围为1.6μm～2.6μm；圆柱型超构原子半径R的范围为0.5μm～2.5μm；方柱型超构原子边长a的范围为2μm～5.5μm。
4.根据权利要求1所述的轻型混合式超构红外镜头的设计方法，其特征在于，三种超构原子的高度H均为6.8μm。
5.根据权利要求1所述的轻型混合式超构红外镜头的设计方法，其特征在于，步骤S3中确定第二透镜的相位轮廓为：对第二透镜的相位轮廓进行多个采样点的数值提取以及多阶多项式拟合，得到第二透镜相位轮廓函数曲线表达式。
6.根据权利要求1所述的轻型混合式超构红外镜头的设计方法，其特征在于，对三种超构原子在周期性边界条件下扫描得到在设定变量范围内的相位突变结果和透过率分布。
7.根据权利要求5所述的轻型混合式超构红外镜头的设计方法，其特征在于，将函数曲线相位轮廓值和三种超构原子相位突变同时归于-π到π的范围，二者进行匹配即可完成超构表面的结构选择；在匹配过程中避开结构扫描产生共振时对应尺寸的结构，最终实现整个第二透镜范围内的结构覆盖。
8.根据权利要求1所述的轻型混合式超构红外镜头的设计方法，其特征在于，圆环柱型超构原子最低透过率设定为95％，相位误差精度为圆柱型超构原子最低透过率设定为90％，相位误差精度为/>方柱型超构原子最低透过率设定为81.5％，相位误差精度为/>
9.一种轻型混合式超构红外镜头，其特征在于，包括依次设置的第一透镜和第二透镜；
所述第一透镜为球面镜，所述第二透镜为超构表面；
所述超构表面包括基底和三种具有C4对称性的纳米柱；三种具有C4对称性的纳米柱作为三种超构原子，三种超构原子的尺寸不同，引起不同相位突变，三种超构原子包括圆环柱型超构原子、圆柱型超构原子和方柱型超构原子；
若干三种超构原子阵列按结构放置信息放置于基底上；
所述结构放置信息通过如下方式获得：确定一定尺寸范围内的三种超构原子相位突变与透过率信息以及第二透镜的相位轮廓，基于相位轮廓以及透过率要求对三种不同尺寸的超构原子进行匹配得到超构表面的结构放置信息。
10.根据权利要求9所述的轻型混合式超构红外镜头，其特征在于，确定第二透镜的相位轮廓为：对第二透镜的相位轮廓进行多个采样点的数值提取以及多阶多项式拟合，得到第二透镜相位轮廓函数曲线表达式；
对三种超构原子在周期性边界条件下扫描得到在设定变量范围内的相位突变结果和透过率分布；
将函数曲线相位轮廓值和三种超构原子相位突变同时归于-π到π的范围，二者进行匹配即可完成超构表面的结构选择；在匹配过程中避开结构扫描产生共振时对应尺寸的结构，最终实现整个第二透镜范围内的结构覆盖。
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Citations (5)
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|---|---|---|---|---|
| CN112987290A (zh) * | 2021-03-08 | 2021-06-18 | 哈尔滨工业大学（深圳） | 一种可见光消色差超构透镜及其制备方法 |
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|---|---|---|---|---|
| WO2021233416A1 (zh) * | 2020-05-22 | 2021-11-25 | 深圳迈塔兰斯科技有限公司 | 一种超透镜与折射和或反射透镜的混合光学系统 |
| CN112987290A (zh) * | 2021-03-08 | 2021-06-18 | 哈尔滨工业大学（深圳） | 一种可见光消色差超构透镜及其制备方法 |
| CN113866857A (zh) * | 2021-09-13 | 2021-12-31 | 中国人民解放军战略支援部队航天工程大学 | 一种基于非晶硅超构表面的轻量化红外制导镜头 |
| CN114114677A (zh) * | 2021-10-14 | 2022-03-01 | 广州科易光电技术有限公司 | 一种双波长消色差偏振无关超构透镜设计方法及超构透镜 |
| CN114265132A (zh) * | 2021-12-24 | 2022-04-01 | 中国科学技术大学 | 一种单片混合式透镜及其制备方法 |
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