CN117358926A - 一种锗光阑阵列的制备方法及光场成像系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种锗光阑阵列的制备方法及光场成像系统，包括如下制备步骤：步骤（1）、锗粉末的制备，将锗单晶在真空中加热至液态锗，采用高速氦气对液态锗喷射破碎为锗颗粒，在氦气保护中冷却锗颗粒，将冷却后的锗颗粒研磨为锗粉末；步骤（2）、锗光阑阵列模型的搭建，步骤（3）、锗光阑阵列模型的分层处理，步骤（4）、扫描信息的规划，步骤（5）、锗光阑阵列加工成型，本发明通过将锗单晶先制备成锗粉末，再将锗粉末加工得到锗光阑阵列，解决了锗单晶材料在直接加工过程中容易发生断裂破坏的情况，加工工艺流程简单、精度高，其锗光阑阵列用于光场成像系统，成像质量高。

Description

一种锗光阑阵列的制备方法及光场成像系统
技术领域
本发明涉及光学成像领域，具体涉及一种锗光阑阵列的制备方法及光场成像系统。
背景技术
光学成像系统是把目标物成像在一个像面上，如果任何角度任何位置的光都能成像是最理想的状态，但现实中的光学成像系统其成像能力都是有限的，只能对物空间的其中一部分成完善像。因此，为了得到更好的像质，我们需要对进入光学成像系统的光线进行一些限制，通过舍弃成像质量不高的光线来提高成像的质量。最常用的方法就是放置一些光阑来合理限制成像光束的宽度、位置和成像范围等等。
光阑是指在光学系统中对光束起着限制作用的实体。传统光阑主要是由分布着极小中心孔或超细狭缝的金属屏障物构成，由于金属光阑需要具备高精度的尺寸要求，因此光阑的加工与制作对精密加工技术提出了极高的工艺要求。另外，现有的光阑也难以满足光场成像技术领域的需求，为了满足光场成像技术领域的需要，提出了光阑阵列的方式来对光束进行约束，现有的光阑阵列以光学树脂或玻璃作为主要的材质，主要应用于可见光波段，对于其他如远红外线波段的应用效果较差；另外，传统的光阑阵列加工工艺流程较复杂，同时也很难满足光阑阵列对于通光口口径的精细尺寸的要求，这就对光场成像系统的成像质量造成了很大的影响。
锗是浅灰色的金属，锗晶体里的原子排列与金刚石差不多，所以锗与金刚石一样，较硬而且脆。加工时，当材料承受的载荷超过弹性极限，会发生断裂破坏，在已加工表面形成裂纹和凹坑，所以锗的可加工性极差，是典型的难加工材料。因此在光学加工、镀膜和装配过程中必须格外小心，采用现有的加工手段较难实现。
发明内容
为了解决上述技术问题，提出本发明，本发明提供了一种锗光阑阵列的制备方法及光场成像系统，解决了现有技术中锗光阑阵列加工工艺流程复杂，材料在加工过程中易发生断裂破坏，且加工得到的锗光阑阵列的通光口口径尺寸不精细，影响光场成像系统的成像质量的技术问题。
根据本发明的一个方面，提供了一种锗光阑阵列的制备方法，包括如下制备步骤：步骤（1）、锗粉末的制备，将锗单晶在真空中加热至液态锗，采用高速氦气对液态锗喷射破碎为锗颗粒，在氦气保护中冷却锗颗粒，将冷却后的锗颗粒研磨为锗粉末；步骤（2）、锗光阑阵列模型的搭建，基于所设计的锗光阑阵列的尺寸标准，得到精确描述锗光阑阵列的三维结构的坐标数据，用软件方式搭建锗光阑阵列模型，其中，所述锗光阑阵列包括多个锗光阑单元，所述锗光阑阵列模型包括多个锗光阑单元模型；步骤（3）、锗光阑阵列模型的分层处理，将步骤（2）搭建的锗光阑阵列模型进行切片处理，分解为具有多层结构的锗光阑单元模型，并提取各层锗光阑单元模型的数据信息，所述各层锗光阑单元模型的数据信息包括所述各层锗光阑单元模型的尺寸；步骤（4）、扫描信息的规划，基于步骤（3）提取到的各层锗光阑单元模型的数据信息，规划激光器扫描信息；步骤（5）、锗光阑阵列加工成型，按照步骤（4）规划好的扫描信息，进行锗光阑阵列的分层加工，在基板上先铺设一层由步骤（1）制备得到的锗粉末，并对铺设在基板上的锗粉末压实，激光器按照预先规划好的扫描信息对压实的锗粉末进行辐照、加热熔融形成一层熔覆层，再对该熔覆层进行冷却；在冷却后的熔覆层上再铺设一层锗粉末，连续逐层对锗粉末进行辐照、加热熔融、冷却，多层熔覆层叠加直至形成整个锗光阑阵列。
进一步的，所述步骤（1）中，锗粉末的制备包括如下步骤：S1、将锗单晶放入熔融腔中，在真空状态下将锗单晶加热熔融为液态锗，熔融的液态锗从熔融腔的液化孔压出；S2、在雾化腔中，采用高速氦气对从S1中熔融腔的液化孔压出的液态锗进行喷射，经过氦气喷射的液态锗从雾化腔的上部落到雾化腔的下部，液态锗在雾化腔的下部自激破碎形成细小锗液滴并使其散落为锗颗粒；S3、将S2中形成的锗颗粒在氦气保护中自然冷却至常温，之后再转至氮气中进行存储；S4、在球磨机中将S3中存储在氮气中的锗颗粒研磨为锗粉末。
进一步的，所述S1中，锗单晶的加热温度为1400℃-1600℃。
进一步的，所述S2中，在2.5 MPa压力下，氦气喷射的速率为530m/s-550 m/s，液态锗自激破碎形成形成细小锗液滴并使其散落为锗颗粒的直径为1mm~20mm。
进一步的，所述S4中，球磨机的转速为200r/min-300r/min，研磨时间为4~10小时，制备得到的锗粉末的粒径为45μm-75μm。
进一步的，所述步骤（5）中，激光器的扫描速度为500mm/min-550mm/min，激光器对压实的锗粉末的加热温度为1100℃-1200℃，将加热熔融形成的各熔覆层在氦气保护中冷却至常温。
进一步的，所述步骤（5）中，为保证加工速度，可以采用多束激光，分区域对压实的锗粉末进行辐照、加热熔融。
进一步的，所述步骤（5）中还包括：在形成整个锗光阑阵列后，激光器再对多层熔覆层叠加形成的外边缘进行辐照、加热熔融，之后转至氦气保护中冷却至常温。
进一步的，对所述多层熔覆层的外边缘进行加热的温度为1000℃-1100℃，加热时间＜1.5min。
进一步的，所述步骤（5）中，在逐层铺设锗粉末时，根据以下公式计算冷却前与冷却后各层锗光阑单元尺寸的收缩量：
Δx = xαΔT 式（1）
式（1）中，Δx为冷却前与冷却后各层锗光阑单元尺寸的收缩量；
x为冷却前各层锗光阑单元的尺寸，即所述各层锗光阑单元模型的尺寸；
α为热膨胀系数；
ΔT为各层锗光阑单元冷却前与冷却后的温度差；
根据式（1）计算得到的冷却前与冷却后各层锗光阑单元尺寸的收缩量，计算各层锗光阑单元所需的锗粉末补偿量，将计算得到的各层锗光阑单元所需的锗粉末补偿量加入至再次铺设的锗粉末数量中。
进一步的，锗光阑单元的形状可以为半椭球形或半球体，锗光阑单元为半椭球形，则下一层铺设锗粉末时，根据式（2）计算各层所需的锗粉末补偿量；ΔV=2π( (a+Δa)(b+Δb) (c+Δc)- abc)/3；式（2）
式（2）中：ΔV是各层所需的锗粉末补偿量；
a是椭球在X轴方向上的赤道半径；
b是椭球在Y轴方向上的赤道半径；
c是椭球在Z轴方向上的极半径；
Δa为通过式（1）计算得到在X轴方向上的锗光阑单元的收缩量；
Δb为通过式（1）计算得到在Y轴方向上的锗光阑单元的收缩量；
Δc为通过式（1）计算得到在Z轴方向上的锗光阑单元的收缩量；
进一步的，锗光阑单元为半球体，则下一层铺设锗粉末时，根据式（3）计算各层所需的锗粉末补偿量：
ΔV =2π( (r+Δr)3 – r3)/3；式（3）
式（3）中，r为半球体的半径；
Δr为通过式（1）计算得到的锗光阑单元的收缩量。
进一步的，锗光阑阵列由锗光阑单元构成，通光口口径是能通过光束的尺寸，若锗光阑单元为半球体时，通光口口径是该半球体的直径；若锗光阑单元为半椭球形时，通光口口径是该半椭球形在X轴方向上的赤道半径和在Y轴方向上的赤道半径中数值较大的赤道半径。
进一步的，激光器可以使用光纤激光器，建模软件可以使用Pro-E、Catia、Solidworks、ZEMAX等建模软件，具体的三维建模软件可以选择专业或非专业的建模软件，在此不做具体限定，只要能满足本发明所需要的建模精度和要求即可。
根据本发明的另一方面，本发明提供了一种光场成像系统，主透镜，所述主透镜用于接收外界的光线；透镜阵列，所述透镜阵列包括多个微透镜，外界的光线经所述主透镜汇聚于多个所述微透镜上；锗光阑阵列，所述锗光阑阵列包括多个用于限制成像的锗光阑单元；多个所述微透镜与多个所述锗光阑单元一一对应设置；图像传感器，所述图像传感器包括多个传感器单元，多个所述锗光阑单元与多个所述传感器单元一一对应设置，多个所述传感器单元将汇聚于多个所述微透镜上的光线经过多个锗光阑单元分散投射到对应的传感器单元上并被记录下来；其中，每个所述微透镜、每个所述锗光阑单元、以及每个所述传感器单元一一对应构成一个成像单元。
本发明提供的一种锗光阑阵列的制备方法及光场成像系统，该锗光阑阵列的制备方法包括如下制备步骤：步骤（1）、锗粉末的制备，将锗单晶在真空中加热至液态，采用高速氦气对液态锗喷射破碎为锗颗粒，在氦气保护中冷却锗颗粒，将冷却后的锗颗粒研磨为锗粉末；步骤（2）、锗光阑阵列模型的搭建，基于所设计的锗光阑阵列的尺寸标准，得到精确描述锗光阑阵列的三维结构的坐标数据，用软件方式搭建锗光阑阵列进行模型，其中，所述锗光阑阵列包括多个锗光阑单元，所述锗光阑阵列模型包括多个锗光阑单元模型；步骤（3）、锗光阑阵列模型的分层处理，将步骤（2）搭建的锗光阑阵列模型进行切片处理，分解为具有多层结构的锗光阑单元模型，并提取各层锗光阑单元模型的数据信息，其中，所述各层锗光阑单元模型的数据信息包括所述各层锗光阑单元模型的尺寸；步骤（4）、扫描信息的规划，基于步骤（3）提取到的各层锗光阑单元模型的数据信息，规划激光器扫描信息；步骤（5）、锗锗光阑阵列加工成型，按照步骤（4）规划好的扫描信息，进行锗光阑阵列的分层加工，在基板上铺设一层由步骤（1）制备得到的锗粉末，并对铺设在基板上的锗粉末压实，激光器按照预先规划好的扫描信息对压实的锗粉末进行辐照、加热熔融形成一层熔覆层，再对该熔覆层进行冷却；在冷却后的熔覆层上再铺设一层锗粉末，连续逐层对锗粉末进行辐照、加热熔融、冷却，多层熔覆层叠加直至形成整个锗光阑阵列。
本发明以数字模型为基础，运用粉末状锗金属材料，通过建模后层叠构造的方式来实现锗光阑阵列的加工，本发明通过将锗单晶先制备成锗粉末，再将锗粉末加工得到锗光阑阵列，通过本发明的方法加工得到的锗光阑阵列，解决了在加工过程中由于锗单晶较硬而且脆，直接加工时当锗单晶承受的载荷超过其弹性极限，容易发生断裂破坏的情况；本发明采用建模、分层处理以及对锗粉末进行激光辐照等加工工艺实现锗光阑阵列高精度的要求，提高锗光阑阵列在光场成像系统中的成像质量。
附图说明
通过结合附图对本发明实施例进行更详细的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优势将变得更加明显。附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中，相同的参考标号通常代表相同部件或步骤。
图1是本发明一示例性实施例提供的一种锗光阑阵列的制备方法的流程图；
图2是本发明一示例性实施例提供的锗粉末的制备方法的流程图；
图3是本发明一示例性实施例提供的一种光场成像系统的示意图；
图4是本发明一示例性实施例提供的一种光场成像系统的锗光阑阵列的正视图；
图5是本发明一示例性实施例提供的一种光场成像系统的锗光阑阵列的侧视图；
图6是本发明一示例性实施例提供的一种光场成像系统的锗光阑单元的结构示意图；
图7是本发明一示例性实施例提供的一种光场成像系统的锗光阑阵列的示意图；
图8是本发明实施例一提供的粒径为75μm的锗粉末在50倍显微镜下的观测图；
图9是本发明实施例二提供的粒径为45μm的锗粉末在50倍显微镜下的观测图；
图10是本发明实施例三提供的粒径为120μm的锗粉末在50倍显微镜下的观测图。
说明1、主透镜；2、透镜阵列；21、微透镜；3、锗光阑阵列；31、锗光阑单元；4、图像传感器。
具体实施方式
下面，将参考附图详细地描述根据本发明的示例实施例。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是本发明的全部实施例，应理解，本发明不受这里描述的示例实施例的限制。
实施例1
锗光阑阵列的制备方法包括如下步骤：
步骤（1）、锗粉末的制备
S1、选取锗单晶，为了降低工艺成本，用氮气对锗单晶进行保护，将锗单晶放入熔融腔中，在真空状态下将锗单晶进行加热熔融为液态锗，加热温度为1500℃，液态锗从熔融腔的液化孔压出；
S2、在雾化腔中，采用氦气对从熔融腔液化孔压出的液态锗进行喷射，在2.5 MPa压力下, 氦气喷射的气体速率为540 m/s，液态锗由熔融腔压出，进入到雾化腔的上部，在雾化腔的上部对液态锗进行喷射，喷射过程中，液态锗受到氦气气体的剪切和挤压作用，液态锗细化并发生层流纤维化，当液态锗离开雾化腔的上部到达雾化腔的下部时，在雾化腔的下部不再对液态锗进行喷射，使得该挤压作用不再存在，因此液态锗受到的外压骤然减小，就出现了内外压力不平衡，由于液态锗内外压力不平衡从而导致液态锗自激破碎形成细小液滴使其散落成直径为1mm~20mm的锗颗粒；
S3、将S2中形成的锗颗粒在氦气保护中冷却至常温，之后再转至氮气保护中进行存储，充入氮气可以实现快速冷却，同时也可以有效防止锗颗粒的氧化，从而延长锗颗粒的使用时间；
S4、将S3中存储的锗颗粒放入球磨机中进行研磨，球磨机的转速为300r/min，研磨时间5小时，可制备得到直径为75μm的锗粉末，研磨时间越长锗粉末直径越小，经研磨机研磨制备得到的锗粉末的纯度为99.5%；
步骤（2）、锗光阑阵列模型的搭建；
基于预先设计的锗光阑阵列的尺寸标准，对预先设计的锗光阑阵列初步模型进行调整，得到精确描述锗光阑阵列的三维结构的坐标数据，用Pro-E建模软件搭建锗光阑阵列三维模型；
步骤（3）、锗光阑阵列模型的分层处理；
将步骤（2）搭建的锗光阑阵列模型进行切片处理，分解为具有多层结构的锗光阑单元模型，并提取各层锗光阑单元模型的数据信息，其中，各层锗光阑单元模型的数据信息包括各层锗光阑单元模型的尺寸；各层锗光阑单元模型的层厚为75μm，为了得到精度较高的锗光阑阵列，需要对分层处理有一定的精度要求，以满足不同形态锗光阑阵列的精度，当锗光阑阵列的精度要求越高时，层结构会越多，各层锗光阑单元模型数据信息的提取量会越大；
步骤（4）、扫描信息的规划；
基于步骤（3）提取到的各层锗光阑单元模型的数据信息，合理规划激光器扫描信息，激光器扫描信息包括扫描路径、扫描速度；
步骤（5）、锗光阑阵列加工成型；
按照步骤（4）规划好的扫描信息，进行锗光阑阵列的分层加工；在基板上铺设一层由步骤（1）制备得到的直径为70μm的锗粉末，并对铺设在基板上的锗粉末进行压实，将锗粉末压实使其保持在单层锗颗粒状态，保证激光加工的精度和效率；
光纤激光器对压实的锗粉末辐照、加热至1100℃，锗的熔点为937.4℃，将锗粉末加热至1100℃，保证了锗粉末可以有效熔融形成一层熔覆层，形成一层熔覆层之后对该熔覆层在氦气保护中冷却至室温，冷却后，在已经熔融的熔覆层上再铺设一层锗粉末，连续逐层对锗粉末进行辐照、加热熔融、冷却，多层熔覆层叠加直至形成整个锗光阑阵列。
图4是本发明一示例性实施例提供的一种光场成像系统的锗光阑阵列的正视图；图5是本发明一示例性实施例提供的一种光场成像系统的锗光阑阵列的侧视图；图7是本发明一示例性实施例提供一种光场成像系统的锗光阑阵列的示意图；如图7所示，结合图4以及图5，多层熔覆层叠加最终形成与步骤（2）模型搭建的锗光阑阵列一致的锗光阑阵列。光纤激光器扫描的速度为550mm/min，为保证加工速度，可以采用多束激光进行辐照，分区域进行熔融。
为了保证形成的熔覆层整体有效熔合，避免锗粉末发生反应，使用氦气对形成的熔覆层进行冷却至常温；
在逐层铺设锗粉末时，锗光阑单元在冷却前与冷却后各层的尺寸会有一定的收缩量，根据冷却前与冷却后各层锗光阑单元尺寸的收缩量，计算各层锗光阑单元所需的锗粉末补偿量，将计算得到的各层锗光阑单元所需的锗粉末补偿量加入至再次铺设的锗粉末数量中。
根据式（1）计算冷却前与冷却后各层锗光阑单元尺寸的收缩量：
Δx = xαΔT；式（1）
式（1）中，Δx冷却前与冷却后的锗光阑单元各层尺寸的收缩量；
x为冷却前锗光阑单元的各层尺寸，即锗光阑单元模型的各层尺寸；
α为热膨胀系数；
ΔT为各层锗光阑单元冷却前与冷却后的温度差。
图6是本发明一示例性实施例提供的一种光场成像系统的锗光阑单元的结构示意图，如图6所示，锗光阑单元为半椭球形，则下一层铺设锗粉末时，根据式（2）计算各层所需的锗粉末补偿量；
ΔV=2π( (a+Δa)(b+Δb) (c+Δc)- abc)/3；式（2）
式（2）中：ΔV是各层所需的锗粉末补偿量；
a是椭球在X轴方向上的赤道半径；
b是椭球在Y轴方向上的赤道半径；
c是椭球在Z轴方向上的极半径；
Δa为通过式（1）计算得到在X轴方向上的锗光阑单元的收缩量；
Δb为通过式（1）计算得到在Y轴方向上的锗光阑单元的收缩量；
Δc为通过式（1）计算得到在Z轴方向上的锗光阑单元的收缩量；
根据冷却前与冷却后的锗光阑单元各层尺寸的收缩量，通过式（2）计算得到各层所需锗粉末补偿量后，光纤激光器在对每层锗粉末进行辐照、加热熔融形成一层熔覆层后，在冷却后的熔覆层上再次铺设锗粉末时，将式（2）计算得到的锗粉末补偿量加入至再次铺设的锗粉末数量中，通过这种方法使得制备得到的锗光阑单元的尺寸与设计的锗光阑单元模型的尺寸相当，锗光阑单元的精度高，进而使得加工得到的锗光阑阵列的通光口口径尺寸精度高，可以满足光场成像系统中对锗光阑阵列的高精度要求，从而进一步的提高了由锗单晶制备的锗光阑阵列在光场成像系统中的成像质量。
在形成整个锗光阑阵列后，多层熔覆层叠加的外边缘会有毛刺，不光滑，为了保证了锗光阑阵列的内部结构的稳定性，需要采用激光器再对多层熔覆层叠加的外边缘进行二次加工，即对多层熔覆层叠加的外边缘进行辐照、加热熔融，之后转至氦气保护中冷却至常温，对多层熔覆层叠加的外边缘的加热温度为1000℃，对多层熔覆层叠加的外边缘的加热时间小于1.5min。
通过实施例1的方法制备得到的锗光阑阵列应用至光场成像系统，可以大大提高光场成像系统中的成像质量，图3是本发明一示例性实施例提供的一种光场成像系统的示意图；如图3所示，该光场成像系统包括主透镜1，主透镜1用于接收外界的光线；透镜阵列2，透镜阵列2包括多个微透镜21，外界的光线经主透镜1汇聚于多个微透镜21上；锗光阑阵列3，锗光阑阵列3包括多个用于限制成像的锗光阑单元31；多个微透镜21与多个锗光阑单元31一一对应设置；图像传感器4，图像传感器4包括多个传感器单元，多个锗光阑单元31与多个传感器单元一一对应设置，多个传感器单元将汇聚于多个微透镜21上的光线经过多个锗光阑单元31分散投射到对应的传感器单元上并被记录下来；其中，每个微透镜21、每个锗光阑单元31、以及每个传感器单元一一对应构成一个成像单元。汇聚在多个微透镜21的光线形成光束，当光束通过锗光阑单元31，由于锗光阑单元31的尺寸精度更高，可以对光束起到限制作用，大大提高了光场成像系统的成像质量。
实施例2
实施例2的制备方法同实施例1，不同之处在于，制备得到的锗粉末的粒径为45μm，如图8所示，图8是45μm粒径的锗粉末在50倍显微镜下的观测图。
实施例3
实施例3的制备方法同实施例1，不同之处在于，制备得到的锗粉末的粒径为75μm，如图9所示，图9是75μm粒径的锗粉末在显微镜下的观测图。
对比例1
对比例1的制备方法同实施例1，不同之处在于，制备得到的锗粉末的粒径为120μm，当锗粉末的粒径大于80μm时，产生的气孔较多，无法保证后续光阑应用的数据一致性；如图10所示，图10是粒径为120μm的锗粉末在50倍显微镜下的观测图。
对比例2
传统的锗光阑阵列加工工艺流程为：
首先制作目标结构掩膜板；在玻璃基板上均匀涂覆一层光刻胶；应用光刻技术把目标结构掩模板图形转印到玻璃基板上，得到光刻胶微图形；光刻胶抗蚀剂经过制作好的结构掩膜板进行曝光后完成显影获得微结构；
采用热板对制作好微结构图形的玻璃基板进行特定温度加热，使其表面光刻胶图形熔变为锗光阑阵列图形；将制作好的玻璃基板放入离子束刻蚀机的真空室内，进行离子束刻蚀；
最后采用氧离子去除玻璃基板上的光刻胶。
使用传统方法制备锗光阑阵列的工艺流程复杂，使用的设备昂贵，而且将制作好的玻璃基板放入离子束刻蚀机的真空室内进行离子束刻蚀时，容易因材料承受的载荷超过弹性极限，导致玻璃基板发生断裂。
1、本发明选用锗单晶作为光阑阵列的主要材质，高纯锗单晶具有高的折射系数，对红外线透明，不透过可见光和紫外线，用于辐射探测器及热电材料，是一种稳定的远红外光学材料， 在透光范围2000nm到17000nm有很好的透过率，在可见光波段是不透光的，可作专透红外光的锗窗、棱镜或透镜，本发明将锗单晶先制备成锗粉末，再加工为锗光阑阵列，并应用在光场成像系统中，粉末状的锗有利于锗光阑阵列的加工，避免了由于锗单晶直接加工时，因锗单晶材料承受的载荷容易超过锗单晶的弹性极限，在加工中锗单晶发生断裂破坏；
2、本发明采用球磨机对锗颗粒研磨为锗粉末，研磨的锗粉末粒度越小，其比表面积越大，进而使得在使用激光器对压实的锗粉末进行辐照时的烧结驱动力增大，因此，粒度小的锗粉末有利于烧结的顺利进行；如图8以及图9所示，当锗粉末的粒径在45μm-75μm之间时，锗粉末颗粒之间空隙较小，相邻两层锗粉末之间连接紧密，有利于提高烧结致密化和烧结强度，同时也提高了锗粉末的堆积密度，进而能使得锗光阑阵列的强度和表面质量都达到较好，当锗粉末的粒径超过75μm时，锗粉末颗粒之间就会产生气孔，锗粉末的堆积密度随着锗粉末粒径的增大逐渐降低，当锗粉末的粒径在120μm时，如图10所示，锗粉末颗粒之间产生的气孔较多，使得相邻两层锗粉末之间连接松散，不易形成致密的熔覆层，无法保证后续锗光阑阵列应用的数据一致性；
3、在逐层铺设锗粉末时，各层锗光阑单元31的尺寸会有一定的收缩量，通过计算冷却前与冷却后锗光阑单元31各层尺寸的收缩量，根据各层冷却前与冷却后锗光阑单元31的收缩量计算各层锗粉末补偿量，在逐层铺设锗粉末时，将计算得到的各层的锗粉末的补偿量，补充至下一层铺设的锗粉末数量中，使得制备得到的锗光阑阵列的锗光阑单元31的尺寸与设计的锗光阑单元模型的尺寸一致，精度高，当光束通过锗光阑单元31时，由于锗光阑单元31的尺寸精度更高，可以对光束起到限制作用，提高了光场成像系统的成像质量；
4、在形成整个锗光阑阵列后，各熔覆层叠加的外边缘会有毛刺，不光滑，激光器再对各熔覆层叠加的外边缘进行二次加工，即对各熔覆层叠加的外边缘进行辐照、加热熔融、冷却，通过对各熔覆层叠加的外边缘进行二次加工，保证了锗光阑阵列内部结构的稳定性。
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、等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种锗光阑阵列的制备方法，其特征在于：包括如下制备步骤：
步骤（1）、锗粉末的制备，将锗单晶在真空中加热至液态锗，采用高速氦气对液态锗喷射破碎为锗颗粒，在氦气保护中冷却锗颗粒，将冷却后的锗颗粒研磨为锗粉末；
步骤（2）、锗光阑阵列模型的搭建，基于所设计的锗光阑阵列的尺寸标准，得到精确描述锗光阑阵列的三维结构的坐标数据，用软件方式搭建锗光阑阵列模型，其中，所述锗光阑阵列包括多个锗光阑单元，所述锗光阑阵列模型包括多个锗光阑单元模型；
步骤（3）、锗光阑阵列模型的分层处理，将步骤（2）搭建的锗光阑阵列模型进行切片处理，分解为具有多层结构的锗光阑单元模型，并提取各层锗光阑单元模型的数据信息，其中，所述各层锗光阑单元模型的数据信息包括所述各层锗光阑单元模型的尺寸；
步骤（4）、扫描信息的规划，基于步骤（3）提取到的各层锗光阑单元模型的数据信息，规划激光器扫描信息；
步骤（5）、锗光阑阵列加工成型，按照步骤（4）规划好的扫描信息，进行锗光阑阵列的分层加工，在基板上先铺设一层由步骤（1）制备得到的锗粉末，并对铺设在基板上的锗粉末压实，激光器按照预先规划好的扫描信息对压实的锗粉末进行辐照、加热熔融形成一层熔覆层，再对该熔覆层进行冷却；在冷却后的熔覆层上再铺设一层锗粉末，连续逐层对锗粉末进行辐照、加热熔融、冷却，多层熔覆层叠加直至形成整个锗光阑阵列。
2.根据权利要求1所述的一种锗光阑阵列的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中，锗粉末的制备包括如下步骤：
S1、将锗单晶放入熔融腔中，在真空状态下将锗单晶加热熔融为液态锗，熔融的液态锗从熔融腔的液化孔压出；
S2、在雾化腔中，采用高速氦气对从S1中熔融腔的液化孔压出的液态锗进行喷射，经过氦气喷射的液态锗从雾化腔的上部落到雾化腔的下部，液态锗在雾化腔的下部自激破碎形成细小锗液滴并使其散落为锗颗粒；
S3、将S2中形成的锗颗粒在氦气保护中自然冷却至常温，之后再转至氮气中进行存储；
S4、在球磨机中将S3中存储在氮气中的锗颗粒研磨为锗粉末。
3.根据权利要求2所述的一种锗光阑阵列的制备方法，其特征在于：所述S1中，锗单晶的加热温度为1400℃-1600℃。
4.根据权利要求2所述的一种锗光阑阵列的制备方法，其特征在于：所述S2中，在2.5MPa压力下，氦气喷射的速率为530m/s-550 m/s；液态锗
自激破碎形成细小锗液滴并使其散落为锗颗粒的直径为1mm~20mm。
5.根据权利要求2所述的一种锗光阑阵列的制备方法，其特征在于：所述S4中，球磨机的转速为200r/min-300r/min，研磨时间为4~10小时，制备得到的锗粉末的粒径为45μm-75μm。
6.根据权利要求1所述的一种锗光阑阵列的制备方法，其特征在于：
所述步骤（5）中，激光器扫描的速度为500mm/min-550mm/min，激光器对压实的锗粉末的加热温度为1100℃-1200℃，将加热熔融形成的各熔覆层在氦气保护中冷却至常温。
7.根据权利要求1所述的一种锗光阑阵列的制备方法，其特征在于：所述步骤（5）中还包括：在形成整个锗光阑阵列后，激光器再对多层熔覆层叠加形成的外边缘进行辐照、加热熔融，之后转至氦气保护中冷却至常温。
8.根据权利要求7所述的一种锗光阑阵列的制备方法，其特征在于：对所述多层熔覆层叠加形成的外边缘进行加热的温度为1000℃-1100℃，加热时间＜1.5min。
9.根据权利要求1所述的一种锗光阑阵列的制备方法，其特征在于：所述步骤（5）中，在逐层铺设锗粉末时，根据以下公式计算冷却前与冷却后各层锗光阑单元尺寸的收缩量：
Δx = xαΔT 式（1）
式（1）中，Δx为冷却前与冷却后的各层锗光阑单元尺寸的收缩量；
x为冷却前锗光阑单元的各层尺寸，即所述各层锗光阑单元模型的尺寸；
α为热膨胀系数；
ΔT为各层锗光阑单元冷却前与冷却后的温度差；
根据式（1）计算得到的冷却前与冷却后各层锗光阑单元尺寸的收缩量，计算各层锗光阑单元所需的锗粉末补偿量，将计算得到的各层锗光阑单元所需的锗粉末补偿量加入至再次铺设的锗粉末数量中。
10.一种包含权利要求1-9任一项所述的锗光阑阵列的光场成像系统，其特征在于：包括：
主透镜，所述主透镜用于接收外界的光线；
透镜阵列，所述透镜阵列包括多个微透镜，外界的光线经所述主透镜汇聚于多个所述微透镜上；
锗光阑阵列，所述锗光阑阵列包括多个用于限制成像的锗光阑单元；多个所述微透镜与多个所述锗光阑单元一一对应设置；
图像传感器，所述图像传感器包括多个传感器单元，多个所述锗光阑单元与多个所述传感器单元一一对应设置，多个所述传感器单元将汇聚于多个所述微透镜上的光线经过多个锗光阑单元分散投射到对应的传感器单元上并被记录下来；
其中，每个所述微透镜、每个所述锗光阑单元、以及每个所述传感器单元一一对应构成一个成像单元。
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