一种锗光阑阵列的制备方法及光场成像系统

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：

1、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。

2、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。

3、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。

技术实现思路

1、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。

2、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。

3、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。

4、进一步的，所述s1中，锗单晶的加热温度为1400℃-1600℃。

5、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。

6、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。

7、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。

8、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。

9、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。

10、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。

11、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：

12、δx = xαδt  式（1）

13、 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；

14、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；

15、α为热膨胀系数；

16、δt为各层锗光阑单元冷却前与冷却后的温度差；

17、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。

18、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）

19、式（2）中：δv是各层所需的锗粉末补偿量；

20、a是椭球在x轴方向上的赤道半径；

21、b是椭球在y轴方向上的赤道半径；

22、c是椭球在z轴方向上的极半径；

23、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；

24、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；

25、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；

26、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：

27、δv =2π( (r+δr)3 – r3)/3；式（3）

28、式（3）中，r为半球体的半径；

29、δr为通过式（1）计算得到的锗光阑单元的收缩量。

30、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。

31、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。

32、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。

33、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。

34、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。