一种基于超表面的分焦面偏振成像器件、设计方法及系统

本发明属于微纳光学，更具体地，涉及一种基于超表面的分焦面偏振成像器件、设计方法及系统。

背景技术：

1、超表面作为一种人造亚波长平面结构，对光波具有超强的调控能力，可以打破传统光学局限性，可以设计实现很多功能，如大数值孔径透镜、特殊光束发生器、计算全息、纳米印刷等。超表面也可以用来设计偏振分光器件，与传统光学元件相比，超表面偏振分光器件具有易加工、设计灵活、集成度高、高效率等诸多优势，打破了传统偏振器件50％的理论极限效率。效率的提高为偏振成像带来了更为广阔的应用前景，在目标检测、环境监测、三维成像等领域发挥更为重要的作用，基于超表面的偏振成像系统具有良好的应用发展前景。如何基于超表面设计符合应用需求的偏振成像器件及系统是本领域的一研究课题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于，提供一种基于超表面的分焦面偏振成像器件、设计方法及系统，以实现分焦面偏振成像探测的功能。

2、第一方面，本发明提供一种基于超表面的分焦面偏振成像器件的设计方法，包括以下步骤：

3、步骤1、构建基于超表面的分焦面偏振成像器件的基本结构，所述基本结构包括基底和位于所述基底上的纳米砖阵列；将所述基于超表面的分焦面偏振成像器件划分为多个结构区域，将每个所述结构区域等分为四个偏振分区，将每一偏振分区内的基底划分为n×n个单元结构，每个所述单元结构的工作面为边长为c的正方形，每个所述单元结构及位于其工作面上的一个纳米砖构成一个纳米砖结构单元，四个偏振分区内的所述纳米砖的高度h均相等；

4、步骤2、将四个偏振分区分别记为x线偏振分区、y线偏振分区、45°线偏振分区和135°线偏振分区，上述四个偏振分区内的纳米砖的转向角θ分别为0°、90°、45°和135°；以所述单元结构的两个互相垂直的边作为x轴和y轴建立xoy坐标系，所述纳米砖的转向角θ为所述纳米砖的宽边w与x轴的夹角；

5、步骤3、在工作波长下，对所述纳米砖结构单元的尺寸参数进行优化，使每一偏振分区对一对正交线偏振光的相位调控量满足该区预设的相位分布；根据确定的纳米砖结构单元的尺寸和纳米砖的转向角对所述纳米砖阵列进行排布，得到所述基于超表面的分焦面偏振成像器件。

6、优选的，对所述纳米砖结构单元的尺寸参数进行优化时，每一偏振分区的相位分布如下：

7、

8、

9、式中，和为正交方向的两个相位分布；k0为自由空间的波矢量，λ为工作波长；(x,y)为纳米砖的中心坐标，f为基于超表面的分焦面偏振成像器件的焦距，δx为正交线偏振光入射时的聚焦坐标偏移量。

10、优选的，对所述纳米砖结构单元的尺寸参数进行优化时，还包括：以沿所述纳米砖的长边l和宽边w所在边振动的一对正交线偏振光的透过率作为优化对象，使沿正交方向振动的一对正交线偏振光的透过率同时高于预设的透过率；所述纳米砖的长边l和宽边w不相等。

11、优选的，所述预设的透过率为0.9。

12、优选的，所述基于超表面的分焦面偏振成像器件为透射式器件，用于将入射光束分解为不同的线偏振正交分量，并分别聚焦到cmos探测器的对应像元上；每一偏振分区的大小均与所述cmos探测器的像元尺寸一致，所述cmos探测器的像元尺寸为p×p，满足n×c＝p；且δx＝±p。

13、优选的，每一偏振分区内的纳米砖的转向角θ与该偏振分区的预设的探测偏振光的振动方向一致；

14、对于每一偏振分区，入射所述预设的探测偏振光时，出射光束聚焦到所述cmos探测器的同位置的像元上；入射与所述预设的探测偏振光对应的正交偏振光时，出射光束聚焦到所述cmos探测器的临近区域位置的像元上。

15、优选的，所述基底采用熔融石英玻璃材料，所述纳米砖采用二氧化钛材料。

16、第二方面，本发明提供一种基于超表面的分焦面偏振成像器件，根据上述的基于超表面的分焦面偏振成像器件的设计方法得到。

17、第三方面，本发明提供一种基于超表面的分焦面偏振成像系统，包括：准直透镜、cmos探测器，以及上述的基于超表面的分焦面偏振成像器件；

18、光束照射到探测物体上，经所述探测物体后的反射光经所述准直透镜后以平行光出射，所述平行光入射到所述基于超表面的分焦面偏振成像器件上；所述基于超表面的分焦面偏振成像器件用于将入射光束分解为不同的线偏振正交分量，并分别聚焦到所述cmos探测器的对应像元上；所述cmos探测器用于采集光束的偏振分量，实现偏振成像探测。

19、本发明中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

20、本发明提供的基于超表面的分焦面偏振成像器件划分为多个结构区域，将每个结构区域等分为四个偏振分区(即x线偏振分区、y线偏振分区、45°线偏振分区和135°线偏振分区)，每一偏振分区能够调控一对正交的线偏振光，即本发明提供的超表面器件能够对光波进行相位调制，将入射光束分解为不同的线偏振正交分量，分别聚焦到cmos探测器的对应像元上，集成超表面和cmos探测器能够实现分焦面偏振成像探测，可应用于目标检测、三维成像等领域。此外，本发明提供的基于超表面的分焦面偏振成像器件中的纳米砖单元结构的尺寸均为亚波长级，器件整体体积小、重量轻、可高度集成，适应于小型化、微型化的发展。

技术特征：

1.一种基于超表面的分焦面偏振成像器件的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于超表面的分焦面偏振成像器件的设计方法，其特征在于，对所述纳米砖结构单元的尺寸参数进行优化时，每一偏振分区的相位分布如下：

3.根据权利要求1所述的基于超表面的分焦面偏振成像器件的设计方法，其特征在于，对所述纳米砖结构单元的尺寸参数进行优化时，还包括：以沿所述纳米砖的长边l和宽边w所在边振动的一对正交线偏振光的透过率作为优化对象，使沿正交方向振动的一对正交线偏振光的透过率同时高于预设的透过率；所述纳米砖的长边l和宽边w不相等。

4.根据权利要求3所述的基于超表面的分焦面偏振成像器件的设计方法，其特征在于，所述预设的透过率为0.9。

5.根据权利要求2所述的基于超表面的分焦面偏振成像器件的设计方法，其特征在于，所述基于超表面的分焦面偏振成像器件为透射式器件，用于将入射光束分解为不同的线偏振正交分量，并分别聚焦到cmos探测器的对应像元上；每一偏振分区的大小均与所述cmos探测器的像元尺寸一致，所述cmos探测器的像元尺寸为p×p，满足n×c＝p；且δx＝±p。

6.根据权利要求5所述的基于超表面的分焦面偏振成像器件的设计方法，其特征在于，每一偏振分区内的纳米砖的转向角θ与该偏振分区的预设的探测偏振光的振动方向一致；

7.根据权利要求1所述的基于超表面的分焦面偏振成像器件的设计方法，其特征在于，所述基底采用熔融石英玻璃材料，所述纳米砖采用二氧化钛材料。

8.一种基于超表面的分焦面偏振成像器件，其特征在于，基于超表面的分焦面偏振成像器件根据如权利要求1-7中任一项所述的基于超表面的分焦面偏振成像器件的设计方法得到。

9.一种基于超表面的分焦面偏振成像系统，其特征在于，包括：准直透镜、cmos探测器，以及如权利要求8所述的基于超表面的分焦面偏振成像器件；

技术总结
本发明属于微纳光学技术领域，公开了一种基于超表面的分焦面偏振成像器件、设计方法及系统。本发明提供的基于超表面的分焦面偏振成像系统包括准直透镜、CMOS探测器和基于超表面的分焦面偏振成像器件，基于超表面的分焦面偏振成像器件划分为多个结构区域，将每个结构区域等分为四个偏振分区，每一偏振分区能够调控一对正交的线偏振光，超表面器件能够对光波进行相位调制，将入射光束分解为不同的线偏振正交分量，分别聚焦到CMOS探测器的对应像元上，能够实现分焦面偏振成像探测，可应用于目标检测、三维成像等领域。此外，器件整体体积小、重量轻、可高度集成，适应于小型化、微型化的发展。

技术研发人员：黄天,李子乐,郑国兴
受保护的技术使用者：武汉大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15