一种长波红外消色差偏振复用透镜

本发明属于红外偏振成像领域和微纳光子学领域，具体涉及一种长波红外消色差偏振复用透镜。

背景技术：

1、随着红外光电技术的发展、制造工艺水平的提高和图像处理算法的进步，传统红外图像的精度和空间分辨率得到了显著提高，已被广泛应用于遥感，气体检测，目标识别及热成像等领域。然而，由于长波红外波段属于大多数常温地物的发射波段，探测目标和背景间的温差较小，背景噪声会对成像质量造成较大的影响，传统红外成像技术难以准确获取目标信息。作为光波的基本特征之一，偏振特性包含了许多重要信息，能够反映不同目标所具有的折射率、表面形貌等特性。因此，结合了偏振探测的红外偏振成像系统能够有效抑制成像时的背景干扰，提高目标与背景的对比度，实现对目标物的准确识别与探测。目前红外偏振成像系统主要为分时、分振幅、分孔径和分焦平面型，存在结构复杂，体积较大和成本高昂的问题。

2、超表面是近年来出现的一种新型亚波长结构，能够在微纳尺度上上实现对电磁波的振幅、偏振以及相位的灵活调控，可以有效解决传统红外偏振成像系统面临的难题。申请号为cn110954974a的专利通过调控超表面结构单元几何尺寸以及对不同单元进行交错排列的方式，实现了10.6μm单一波长下的偏振分束聚焦和全斯托克斯参数探测。然而，考虑到长波红外波段范围较宽，单一波长设计的超透镜会将其他波长下未经过相位调控的入射光聚焦在空间中的其他位置上，产生色差，并导致最终的成像质量恶化。

技术实现思路

1、本发明的目的是解决目前超表面透镜难以在长波红外波段内实现宽带消色差偏振复用的问题。

2、本发明的技术方案如下：

3、一种长波红外消色差偏振复用透镜，所述透镜包括底部结构层和上层微纳结构，

4、所述底部结构层和上层微纳结构通过中间层连接，以解决在长波红外目标波段内实现宽带消色差偏振复用的问题。

5、进一步地，所述长波红外目标波段为8-14μm，所述偏振复用指x方向和y方向线偏振光分束聚焦。

6、进一步地，所述上层微纳结构由正方形周期性排列的超表面单元构成，不同位置处的超表面单元具有与偏振复用聚焦所需要的目标相位接近或相等的实际透射相位。

7、进一步地，所述超表面单元由中心对称图案组成。

8、进一步地，所述中心对称图案包括不同几何尺寸的十字形、交叉椭圆形、工字形。所述中心对称图案对于x方向线偏振和y方向线偏振入射光具有不同的光学响应，可实现x方向和y方向透射相位的独立调控。

9、进一步地，在同一透镜中，所述超表面单元具有同样的高度和排列周期。

10、进一步地，所述底部结构层为平面、弧面或厚度不连续变化的衍射面的任意一种。

11、进一步地，所述底部结构层、中间层和上层微纳结构均为电介质材料。

12、进一步地，超表面单元不同位置和不同波长下的目标相位满足如下公式：

13、

14、其中，表示超表面透镜上(x，y)处与焦点在透镜上的投影位置(x0，y0)的距离，f表示目标焦距，λ表示入射波长，c(λi)表示该波长下引入的参考相移。对于所述公式(1)，x方向线偏振入射光和y方向线偏振入射光具有相互独立的焦点位置和参考相移。

15、进一步地，所述上层微纳结构不同位置处的超表面单元的选取方法为：

16、根据公式(1)计算该位置对于不同波长和偏振方向入射光的目标透射相位；

17、根据已建立的超表面图案-相位对应关系，选择合适的超表面图案，使得超表面单元在不同波长偏振光入射下，实际透射相位与不同波长所需的目标透射相位均接近或相等。

18、本发明的技术效果：

19、(1)本发明采用多种中心对称的超表面图案，具有较高设计自由度，可以独立调控不同偏振方向入射光的透射相位，实现了偏振复用功能。

20、(2)本发明通过将连续波段离散为多个采样波长并进行近似的消色差设计，降低了设计的难度和复杂性，同时保证了超表面在整个波段内具有良好的消色差效果。

21、(3)本发明在选取超表面图案时，针对相位公式中的参考相位c(λ)进行了优化，使所选取超表面单元的透射相位尽可能接近目标相位，提高了整体的聚焦效率。

22、(4)本发明结合了超表面偏振调控原理和消色差原理，通过单一透镜在长波红外波段实现了消色差偏振复用功能，在应用中可大大缩小成像系统的体积和复杂度，提高系统的集成度。

技术特征：

1.一种长波红外消色差偏振复用透镜，其特征在于，所述透镜包括底部结构层和上层微纳结构，

2.根据权利要求1所述的长波红外消色差偏振复用透镜，其特征在于，

3.根据权利要求1所述的长波红外消色差偏振复用透镜，其特征在于，

4.根据权利要求3所述的长波红外消色差偏振复用透镜，其特征在于，所述超表面单元由中心对称图案组成。

5.根据权利要求4所述的长波红外消色差偏振复用透镜，其特征在于，所述中心对称图案包括不同几何尺寸的十字形、交叉椭圆形、工字形。

6.根据权利要求4所述的长波红外消色差偏振复用透镜，其特征在于，在同一透镜中，所述超表面单元具有同样的高度和排列周期。

7.根据权利要求1所述的长波红外消色差偏振复用透镜，其特征在于，所述底部结构层为平面、弧面或厚度不连续变化的衍射面的任意一种。

8.根据权利要求1所述的长波红外消色差偏振复用透镜，其特征在于，所述底部结构层、中间层和上层微纳结构均为电介质材料。

9.根据权利要求3所述的长波红外消色差偏振复用透镜，其特征在于，超表面单元不同位置和不同波长下的目标相位满足如下公式：

10.根据权利要求3所述的长波红外消色差偏振复用透镜，其特征在于，上层微纳结构不同位置处的超表面单元的选取方法为：

技术总结
本发明提供一种长波红外消色差偏振复用透镜，所述透镜的上层由正方形周期排列的超表面单元构成，不同位置处的超表面单元具有与偏振复用聚焦所需要的目标相位接近或相等的实际透射相位；透镜的底部为结构层，包括平面、弧面或厚度变化的衍射面等结构。本发明结合了超表面偏振调控原理和消色差原理，通过单一透镜在长波红外波段实现了消色差偏振复用功能，在应用中可大大缩小成像系统的体积和复杂度，提高系统的集成度。

技术研发人员：董渊,鲁依林,胡挺,钟其泽,郑少南,邱阳,赵兴岩
受保护的技术使用者：上海大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16