一种双片混合式红外光学成像系统及制备方法技术方案

本发明专利技术公开了一种双片混合式红外光学成像系统，所述系统包括沿光轴从物方至像方依次设置的：曲面透镜、平面超透镜和红外焦平面探测器，其中所述曲面透镜为凸面朝向物面的正弯月透镜；所述平面超透镜为单层超构表面朝向像面的超透镜；所述红外焦平面探测器包含探测器窗口保护玻璃和红外焦平面成像芯片。本发明专利技术提供的双片混合式红外光学成像系统，由于超透镜可以实现任意的相位面，这可以有效减少透镜的数量，使得红外光学成像系统向小型化、集成化趋势发展。

【技术实现步骤摘要】
一种双片混合式红外光学成像系统及制备方法
本专利技术属于光学成像技术和微纳光学
，特别的是，涉及一种红外波段的双片混合式光学成像系统及制备方法。
技术介绍
红外线(红外辐射)是一种人眼不可感知的电磁波，其波长一般在0.78μm～1000μm之间。所有温度高于绝对零度(-273℃)的物体都会辐射红外线，那么对红外线的探测显得格外重要。红外成像探测技术通过红外光学成像系统将不可见的红外线转换成人眼可见的红外图像，其广泛地应用于民事领域和军事领域。根据大气对不同红外线的吸收不同，常见的红外成像技术主要分为以下三种：短波红外(0.7μm～2.5μm)、中波红外(3μm～5μm)和长波红外(8μm～14μm)成像技术。红外成像系统主要由红外光学系统(镜头)和红外探测器组成，其中红外光学系统是占成本比重较大的器件之一。目前，红外光学系统是由各种红外光学玻璃的曲面透镜组合而成。但是红外玻璃种类较少且大多数的折射率大，用不同材料组合进行光学像差校正的选择范围小，因此对红外光学系统与元件面形的设计与加工要求更高；曲面透镜的焦距与曲率相关，镜片曲面厚度较高，镜头体积和重量较大；大部分红外玻璃材料的价格较高；制造曲面透镜的工艺主要是机械打磨和模压成型的方法，其加工成本很难进一步降低。这都会限制红外光学系统的成本进一步降低。随着红外成像系统需求的不断扩大，若要实现红外成像系统的大规模应用，红外光学系统的成本问题已经成为其进一步发展的瓶颈。近年来，超构表面作为一种新型的光学器件，得到了众多研究与关注。超构表面是由许多亚波长的结构单元按照特定功能需要排列形成的一种二维平面器件。超构表面，目前，基于超构表面，已经实现了从紫外到太赫兹波段的平板光学透镜(超透镜)。由于其功能层厚度也是亚波长的，相比传统曲面透镜，超透镜具有微型化，体积小，质量轻，易集成等优势。另外，超透镜的加工方法大多与半导体工艺兼容，相比传统曲面透镜，其加工成本要低很多。由于超透镜是在界面上引入亚波长距离的相位突变，可以实现平面内任意的相位分布，这也易于其部分或全部代替光学系统中的曲面透镜。那么基于超透镜的红外光学系统的成本将会进一步减小。专利技术专利CN110488394A实现了基于双级联超构表面透镜和两个曲面透镜混合的长波红外光学系统，但该光学系统仅针对特定的单波长工作，且双面超透镜的加工复杂，对准难度大，光学透镜数目较多，这都不利于长波红外光学系统成本的进一步降低。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有红外成像光学系统的缺点，为了克服现有红外成像光学系统的结构复杂和成本较高等问题，提供了一种双片混合式红外光学成像系统及制备方法。为了实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：一种双片混合式红外光学成像系统，所述系统包括沿光轴从物方至像方依次设置的：曲面透镜、平面超透镜和红外焦平面探测器；其中所述曲面透镜为凸面朝向物面的正弯月透镜；所述平面超透镜为单层超构表面朝向像面的超透镜；所述红外焦平面探测器包含探测器窗口保护玻璃和红外焦平面成像芯片。进一步的，平面超透镜由n个结构单元按特定相位排列得到，n＞1；所述结构单元包括基底以及设置在基底上的纳米柱，所有结构单位排列形成超构表面。光线的方向是从基底到纳米柱。进一步的，结构单元的排列需要满足式1：其中：an是多项式的系数；是超构表面结构单元的径向坐标，R是超构表面的归一化半径，m是多项式的级数。进一步的，纳米柱的横截面为对称图形；纳米柱的高度H小于最小的工作波长λ1。进一步的，结构单元的纳米柱采用硅、锗、硫系玻璃、硒化锌或红外聚合物制成。进一步的，曲面透镜和结构单元的基底采用氟化钙、氟化镁、氟化钡、硒化锌、硫化锌或硅、锗、硫系玻璃制成。进一步的，结构单元的基底周期性排列，基底为正方形晶格或正六边形晶格，边长U小于最小的工作波长λ1；纳米柱横截面的边长D为0.1U到0.9U之间。一种平面超透镜的制备方法，包括以下步骤：(1)采用仿真设计平面超透镜超构表面图案，生成GDS格式的截面图形，利用激光直写系统将上述图形转移到金属铬或镍的薄膜上，金属图案制作在透紫外光的石英或苏打玻璃上，作为后续有掩膜光刻工艺的光刻掩膜版；(2)在面超透镜的基底材料上镀一层纳米柱材料，在其上方再镀一层金属铬，作为后续Bosch工艺的硬掩膜；(3)在硬掩膜上旋涂一层正性光刻胶，然后在烘箱中加热；通过有掩膜的紫外光刻法，将光刻掩膜版上的图案转移到光刻胶上，再进行显影与定影；曝光区域的光刻胶溶解脱落，暴露出下面的金属铬层；(4)使用金属铬的刻蚀液，将暴露出来金属铬腐蚀掉，露出介质硅或锗；然后使用去胶液，将剩余的光刻胶去除，将光刻胶的图案转移到金属铬的薄膜上；(5)采用Bosch工艺对步骤4中得到的样品进行干法刻蚀，得到所需高度的纳米柱，然后利用金属铬的刻蚀液将纳米柱上的金属铬去除，得到最终的超透镜器件。一种双片混合式红外光学成像系统，它包括沿光轴从物方至像方依次设置的：曲面透镜，平面超透镜和红外焦平面探测器。红外光学系统的光阑在曲面透镜的前表面上，红外线依次经过光阑、曲面透镜、平面超透镜、探测器窗口保护玻璃，最终汇聚在红外焦平面成像芯片上。为实现上述双片混合式红外光学成像系统，其技术方案的步骤如下：S1：在三个常见的红外大气窗口中，选取一段红外成像光学系统的工作波长范围：λ1～λ2；S2：根据选选定的工作波长范围，如8-12微米。选取在此波段高透的材料，进而确定传统曲面透镜的玻璃材料，超透镜基底的玻璃材料和其超构表面结构单元的材料；确定可响应此红外波段的红外焦平面探测器；更具体地，在步骤S2中，所述的传统曲面透镜和超透镜基底的玻璃材料，可以是氟化钙、氟化镁、氟化钡、硅、锗、硫系玻璃、硒化锌、硫化锌等；所述的超构表面结构单元的材料可以是硅、锗、硫系玻璃、硒化锌、硫化锌等；所述的纳米柱状结构单元的形貌可以是圆形、方形柱等；所述的红外焦平面探测器，可以是制冷型或非制冷型的短波红外、中波红外或长波红外探测器；S3：根据使用场景需求，确立红外光学系统的目标焦距f，F数，视场角等光学参数，选取所使用的红外探测器的像元大小和分辨率(像素个数)等；更具体地，在步骤S3中，选取红外光学系统的目标焦距f为35mm，F数为1.65，视场角为20度，选取所使用的红外探测器的像元大小为17微米，分辨率为1024*768。S4：确定第一片曲面透镜的两个表面的面型为球面，其第一个面和第二个面的曲率半径为R1和R2；S5：确定第二片平面超透镜的厚度，其超构表面的相位表达式为：其中：an是多项式的系数，其是超构表面的径向坐标，R是超构表面的归一化半径，m是多项式的级数；S6：根据步骤S1-S5选择的成像系统参数，利用光线追迹的方法，对光学系统中的第一片曲面透镜的曲率大小和中心厚度，第二片超透镜的相位分布多项式的参数，两片透镜之间的距离以及第二片透镜与探测器的窗口保护玻璃之间的距离进行优化本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种双片混合式红外光学成像系统，其特征在于：所述系统包括沿光轴从物方至像方依次设置的：曲面透镜、平面超透镜和红外焦平面探测器；/n其中所述曲面透镜为凸面朝向物面的正弯月透镜；/n所述平面超透镜为单层超构表面朝向像面的超透镜；/n所述红外焦平面探测器包含探测器窗口保护玻璃和红外焦平面成像芯片。/n

【技术特征摘要】
1.一种双片混合式红外光学成像系统，其特征在于：所述系统包括沿光轴从物方至像方依次设置的：曲面透镜、平面超透镜和红外焦平面探测器；
其中所述曲面透镜为凸面朝向物面的正弯月透镜；
所述平面超透镜为单层超构表面朝向像面的超透镜；
所述红外焦平面探测器包含探测器窗口保护玻璃和红外焦平面成像芯片。


2.根据权利要求1所述的双片混合式红外光学成像系统，其特征在于：所述平面超透镜由n个结构单元按特定相位排列得到，n＞1；所述结构单元包括基底以及设置在基底上的纳米柱，所有结构单位排列形成超构表面。


3.根据权利要求2所述的双片混合式红外光学成像系统，其特征在于：所述结构单元的排列需要满足式1：



其中：an是多项式的系数；是超构表面结构单元的径向坐标，R是超构表面的归一化半径，m是多项式的级数。


4.根据权利要求2所述的双片混合式红外光学成像系统，其特征在于：所述纳米柱的横截面为对称图形；纳米柱的高度H小于最小的工作波长λ1。


5.根据权利要求2所述的双片混合式红外光学成像系统，其特征在于：所述结构单元的纳米柱采用硅、锗、硫系玻璃、硒化锌或红外聚合物制成。


6.根据权利要求2所述的双片混合式红外光学成像系统，其特征在于：所述曲面透镜...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐挺，
申请(专利权)人：无锡光隐科技发展有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32