一种紧凑型共光路共焦红外双波段光学系统及其制作方法技术方案

本发明专利技术提供一种紧凑型共光路共焦红外双波段光学系统，包括沿光入射方向依次同轴设置的超表面透镜和探测器，超表面透镜由衬底和微纳结构超表面构成，不同的微纳结构具有相同的高度、指向角度和不同的横截面尺寸；各微纳结构的横截面尺寸基于微纳结构的参数空间和电磁波经过各微纳结构后的相位分布确定；相位分布根据超表面透镜的对双波段的消色差成像要求来确定；参数空间通过基于时域有限差分算法的电磁仿真手段对横截面尺寸进行参数扫描来建立。本发明专利技术还提供相应的制作方法。本发明专利技术的光学系统利用单片超表面透镜实现中波和长波红外双波段同时满足消色差成像要求，从而显著减小光学系统的体积和重量，降低加工成本和装调校准难度。调校准难度。调校准难度。

【技术实现步骤摘要】
一种紧凑型共光路共焦红外双波段光学系统及其制作方法


[0001]本专利技术涉及双波段成像系统，具体涉及一种共光路共焦双波段光学系统及其制作方法。

技术介绍

[0002]红外辐射有近红外、中红外、远红外三个大气窗口，针对各个大气窗口的单波段成像技术已发展成熟，并广泛应用于遥感成像和军事侦察中。然而，随着侦察和反侦察技术的升级以及高分辨遥感成像的要求不断提高，单波段红外成像技术由于获取信息量有限而难以满足上述需求，亟待发展双波段红外成像技术。
[0003]目前在双波段红外成像技术方面已有部分研究。双波段成像系统主要分为两类：一类是分光路系统，或部分共光路系统，即两个波段的光共主镜，而后分束，由两个响应不同波段的探测器分别接收；另一类是共光路系统，使用能响应两个波段的探测器来接收。
[0004]由于早期双波段红外探测器不成熟，双波段成像系统主要采用分光路系统(部分共光路系统)，使得系统体积大、重量大。随着双波段红外探测器的发展，双波段共光路系统得以发展，相较于分光路系统可减小部分体积和重量。
[0005]现有的双波段共光路系统通常采用多组透镜组合来解决像差色差等问题。
[0006]如图1所示，申请号为CN201210122634.5的专利文件公开了一种红外双波段共焦光学系统，所述系统包括：依次设置的具有正光焦度的第一透镜组G1、正光焦度的第二透镜组G2、负光焦度的第三透镜组G3和正光焦度的第四透镜组G4，所述第二透镜组G2为谐衍射元件，光学系统还包括一个光栏C1。所述红外双波段共焦光学系统的焦距为f，所述第一透镜组G1的焦距为f1，其中，0.25<f/f1<0.76。
[0007]如图2所示，申请号为CN201510873923.2的专利文件公开了一种双波段红外光学系统，包括沿光入射方向依次同轴设置的第一透镜101、第二透镜102、第三透镜103、光阑104、第四透镜105、第五透镜106、第六透镜107、平行平板109和探测器108；第一透镜101和第五透镜106为弯月负透镜，第二透镜102、第三透镜103和第四透镜105为弯月正透镜，第六透镜107为双凸正透镜；所述第三透镜103的后表面和第四透镜105的前表面为非球面，其余透镜表面均为球面；第一透镜101、第二透镜102的材料为锗，第三透镜103、第四透镜105、第六透镜107的材料为硫系玻璃，第五透镜106的材料为硒化锌。
[0008]综上，现有的双波段共光路系统使用多组透镜组合存在以下诸多不足之处：(1)透镜数量多使得系统装调校准难度大；(2)多组透镜有较多能量损耗、透过率低；(3)透镜数量多及装调复杂使得系统整体成本高(4)多组透镜组合使得系统体积大、重量大，无法满足军事装备和遥感卫星轻量化和小型化的要求。

技术实现思路

[0009]本专利技术的目的在于提供一种紧凑型共光路共焦红外双波段光学系统及其制作方法，以在中波和长波两个红外波段同时满足系统的消色差成像要求，实现红外双波段光学
系统的共光路共焦面，并解决双波段光学系统的轻量化和小型化的问题。
[0010]为了实现以上目的，本专利技术提供一种紧凑型共光路共焦红外双波段光学系统，包括沿光入射方向依次同轴设置的超表面透镜和探测器，所述超表面透镜具有两个目标工作波段，超表面透镜由衬底和设于所述衬底的一侧表面上的微纳结构超表面构成，所述微纳结构超表面为微纳结构的阵列，不同的微纳结构具有相同的高度、相同的指向角度和不同的横截面尺寸；其中，各微纳结构的横截面尺寸基于微纳结构的参数空间和电磁波经过各微纳结构后的相位分布确定；电磁波经过各微纳结构后的相位分布根据超表面透镜的对双波段的消色差成像要求来确定，所述超表面透镜的对双波段的消色差成像要求是：对于目标工作波段中的不同波段的电磁波而言，超表面透镜的焦距相同；微纳结构的参数空间通过基于时域有限差分算法的电磁仿真手段对横截面尺寸进行参数扫描，得到电磁波经过微纳结构后获得的相位与微纳结构的横截面尺寸的对应关系，来建立。
[0011]对超表面透镜的任意一个位置r，目标工作波段中的不同波长λ
i
的电磁波经过该微纳结构后获得的相位与该位置该波长下的校正后的相位的差值等于或近似于2π的整数倍，等于或近似于2π的整数倍是指与2π的整数倍的差值绝对值小于π/2，目标工作波段中的每个波长λ
i
下的校正后的相位分布为：
[0012][0013]其中，r为超表面透镜上的空间位置坐标，λ
i
为第i种电磁波的波长，f为超表面透镜的焦距，C(λ
i
)为第i种电磁波的相位因子。
[0014]所述超表面透镜的目标工作波段为中波红外波段和长波红外波段，中波红外波段为4.0
‑
4.8μm，长波红外波段为10
‑
12μm，所述探测器为工作于中波红外波段和长波红外波段的双色探测器。
[0015]所述超表面透镜的厚度为百微米至毫米量级，微纳结构的厚度为十微米量级，微纳结构的高度H为λ2/2至2λ2，横截面尺寸D为0.1U至0.9U，且所述阵列的周期U为λ2/n至λ1，λ1为中波红外波段的中心波长，λ2为长波红外波段的中心波长，n为超表面透镜的材料的折射率。
[0016]所述阵列的构型是正方晶格阵列或三角晶格阵列，所述微纳结构是圆柱、方柱和椭圆柱。
[0017]所述超表面透镜的材料为硅或锗，超表面透镜的衬底和微纳结构超表面由同一个晶圆制作得到。
[0018]另一方面，本专利技术提供一种紧凑型共光路共焦红外双波段光学系统的制作方法，包括：
[0019]S1：设计一由衬底和设于所述衬底的一侧表面上的微纳结构超表面构成的超表面透镜，所述微纳结构超表面为微纳结构的阵列；确定微纳结构共同的高度和指向角度；随后根据双波段红外光学系统的目标工作波段，基于时域有限差分算法的电磁仿真手段，对微纳结构的横截面尺寸进行参数扫描，来建立微纳结构的参数空间，参数空间中包含了电磁波经过微纳结构后获得的相位与微纳结构的横截面尺寸的对应关系；
[0020]S2：根据双波段红外光学系统的需求确定超表面透镜的口径、焦距和两个目标工
作波段，并给出超表面透镜的在不同波长下的理想相位分布；
[0021]S3：通过优化算法确定得到一组相位因子最优解C(λ
i
)，使得对超表面透镜的任意一个位置r而言，都能够从微纳结构的参数空间中选出相应的微纳结构的参数以使目标工作波段中的不同波长λ
i
的电磁波经过该微纳结构后获得的相位与该位置该波长下的校正后的相位的差值等于或近似于0或2π的整数倍，等于或近似于2π的整数倍是指与2π的整数倍的差值绝对值小于π/2，从而得到满足超表面透镜的对双波段的消色差成像要求的电磁波经过各微纳结构后的相位分布；
[0022]校正后的相位分布为：
[0023][0024]其中，r为超表面透镜上的空间位置坐标，λ
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种紧凑型共光路共焦红外双波段光学系统，其特征在于，包括沿光入射方向依次同轴设置的超表面透镜和探测器(3)，所述超表面透镜具有两个目标工作波段，超表面透镜由衬底(1)和设于所述衬底(1)的一侧表面上的微纳结构超表面(2)构成，所述微纳结构超表面(2)为微纳结构(21)的阵列，不同的微纳结构(21)具有相同的高度、相同的指向角度和不同的横截面尺寸；其中，各微纳结构(21)的横截面尺寸基于微纳结构(21)的参数空间和电磁波经过各微纳结构(21)后的相位分布确定；电磁波经过各微纳结构(21)后的相位分布根据超表面透镜的对双波段的消色差成像要求来确定，所述超表面透镜的对双波段的消色差成像要求是：对于目标工作波段中的不同波段的电磁波而言，超表面透镜的焦距相同；微纳结构(21)的参数空间通过基于时域有限差分算法的电磁仿真手段对横截面尺寸进行参数扫描，得到电磁波经过微纳结构(21)后获得的相位与微纳结构(21)的横截面尺寸的对应关系，来建立。2.根据权利要求1所述的紧凑型共光路共焦红外双波段光学系统，其特征在于，对超表面透镜的任意一个位置r，目标工作波段中的不同波长λ
i
的电磁波经过该微纳结构(21)后获得的相位与该位置该波长下的校正后的相位的差值等于或近似于2π的整数倍，等于或近似于2π的整数倍是指与2π的整数倍的差值绝对值小于π/2，目标工作波段中的每个波长λ
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下的校正后的相位分布为：其中，r为超表面透镜上的空间位置坐标，λ
i
为第i种电磁波的波长，f为超表面透镜的焦距，C(λ
i
)为第i种电磁波的相位因子。3.根据权利要求1所述的紧凑型共光路共焦红外双波段光学系统，其特征在于，所述超表面透镜的目标工作波段为中波红外波段和长波红外波段，中波红外波段为4.0
‑
4.8μm，长波红外波段为10
‑
12μm，所述探测器(3)为工作于中波红外波段和长波红外波段的双色探测器。4.根据权利要求3所述的紧凑型共光路共焦红外双波段光学系统，其特征在于，所述超表面透镜的厚度为百微米至毫米量级，微纳结构(21)的厚度为十微米量级，微纳结构(21)的高度H为λ2/2至2λ2，横截面尺寸D为0.1U至0.9U，且所述阵列的周期U为λ2/n至λ1，λ1为中波红外波段的中心波长，λ2为长波红外波段的中心波长，n为超表面透镜的材料的折射率。5.根据权利要求1所述的紧凑型共光路共焦红外双波段光学系统，其特征在于，所述阵列的构型是正方晶格阵列或三角晶格阵列，所述微纳结构(21)是圆柱、方柱和椭圆柱。6.根据权利要求1所述的紧凑型共光路共焦红外双波段光学系统，其特征在于，所述超表面透镜的材料为硅或锗，超表面透镜的衬底(1)和微纳结构超表面(2)由同一个晶圆制作得到。7.一种紧凑型共光路共焦红外双波段光学系统的制作方法，其特征在于，包括：步骤S1：设计一由衬底(1)和设于所述衬底(1)的一侧表面上的微纳结构超表面(2)构成的超表面透镜，所述微纳结构超表面(2)为微纳结构(21)的阵列；确定微纳结构(21)共同的高度和指向角度；随后根据双波段红外光学系统的目标工作波段，基于时域有限差分算法的电磁仿真手段，对微纳结构(21)的横截面尺寸进行参数扫描，来建立微纳结构(21)的
参数空间，参数空间中包含了电磁波经过微纳结构(21)后获得的相位与微纳结构(21)的横截面尺寸的对应关系；步骤S2：根据双波段红外光学系统的需求确定超表面透镜的口径、焦距和两个目标工作波段，并给出超表面透镜的在不同波长下的理想相位分布；步骤S3：通过优化算法确定得到一组相位因子最优解，使得对于超表面透镜的任意一个位置r而言，都能够从微纳结构(21)的参数空间中选出相应的微纳结构(21)的参数以使目标工作波段中的不同波长λ
i
的电磁波经过该微纳结构(21)后获得的相位与该位置该波长下的校正后的相位的差值等于或近似于2π的整数倍，等于或近似于2π的整数倍是指与2π的整数倍的差值绝对值小于π/2，从而得到满足超表面透镜的对双波段的消色差成像要求的电磁波经过各微纳结构(21)后的相位分布；校正后的相位分布为：其中，r为超表面透镜...

【专利技术属性】
技术研发人员：周易，李伟，甘峰源，王磊，杨雪雷，蓝盾，
申请(专利权)人：中国科学院上海微系统与信息技术研究所，
类型：发明
国别省市：