一种宽带手性光谱分析和大视场成像系统和设计方法与流程

1.本发明涉及电磁波相位调控技术领域，特别涉及一种基于微纳结构的兼容宽带手性光谱分析和宽带大视场成像系统及其设计方法。


背景技术：

2.红外光学探测系统在社会生活中的应用随处可见，但其性能往往受到体积大、视场小、热敏度大、制作成本高等限制。为了压缩红外光学探测系统的体积，增大入射光视场，降低加工制作成本，红外光学探测系统需往大视场、轻量化和集成化的道路上发展。典型的红外探测系统总长度大，包含镜片数量多，机械结构复杂，难以实现便携化、集成化和易用化。更重要的是，红外光学探测系统在一定带宽内进行探测时探测功能比较单一，受限于探测距离，只能独立地进行近距离或远距离物体的探测。以传统的红外光学探测系统举例，对远距离物体进行红外光谱分析系统，首先需要将物体入射的光分解为不同频率，再对不同频率的信息进行检测，整个系统包含的光路非常复杂；而探测近距离物体的红外宽带大视场光学系统，需要对不同视场入射的宽带光进行消色差处理，会使用由多片复杂面形元件构成的大视场鱼眼镜头，使不同视场都能成完整清晰的像，因此整个系统变得笨重冗杂。基于以上需求背景和技术现状可以看出，当前红外光学探测系统依然停留在传统几何光学系统为主的设计范式下，存在镜片数量多、光路复杂、功能有限等诸多限制问题。


技术实现要素：

3.为了解决以上技术问题，本发明提出了一种基于微纳结构的宽带手性光谱分析和宽带大视场成像系统，该系统可实现长短不同距离探测功能的切换。近距离的物体可以直接成像，因此可以用宽带大视场成像进行表征。而远距离的物体在像面仅能成像为一个点，无法得到物体具体的轮廓信息，对于远距离的物体可以采用宽带手性光谱分析判定物体属性，即由于不同物体具有不同的光谱图，因此可以通过成像系统分光产生的光谱图来判断远距离物体的属性。本发明采用的可调谐几何相位偏振光栅模块和宽带大视场成像模块，摆脱了对复杂鱼眼镜头等技术的依赖性，而且大大压缩了光学系统的空间和长度，易于集成。本发明设计了一种具有特定相位分布的微纳结构像差校正模块和一种基于几何相位的可调谐几何相位偏振光栅模块。根据已预先设定的微纳结构相差校正模块沿径向的相位分布，通过调整微纳结构相差校正模块结构，可实现对于在不同视场入射的宽带光，消除色差的影响。而对于可调谐几何相位偏振光栅模块，通过将入射光的左、右旋圆偏振光分量分离至不同方向或使入射光直接透过，从而实现宽带手性光谱分析和宽带大视场成像两种功能的切换。
4.本发明解决其技术问题所采用的技术方案为：
5.一种基于微纳结构的宽带手性光谱分析和大视场成像系统，包括两个模块，两个模块均为介质材料，沿光轴方向依次为：可调谐几何相位偏振光栅模块和宽带大视场成像模块；可调谐几何相位偏振光栅模块，通过将入射光的左、右旋圆偏振光分量分离至不同方
向或使入射光直接透过，实现宽带手性光谱分析和宽带大视场成像两种功能的切换；宽带大视场成像模块，用于将不同出射方向的光聚焦在同一像面的不同位置，并将同一方向不同波长的出射光聚焦在相同位置。
6.进一步地，可调谐几何相位偏振光栅模块，包括两片微纳结构偏振光栅，微纳结构偏振光栅用于将入射光的左、右旋圆偏振光分量分离至不同方向；至少一片微纳结构偏振光栅可绕其中心旋转，用于实现宽带手性光谱分析和宽带大视场成像两种功能的切换。
7.进一步地，可调谐几何相位偏振光栅模块包括第一微纳结构偏振光栅和第二微纳结构偏振光栅；第一微纳结构偏振光栅包括第一介质衬底和设置于第一介质衬底上的多个周期的第一光栅单元结构；第二微纳结构偏振光栅包括第二介质衬底和设置于第二介质衬底上的多个周期的第二光栅单元结构；第一光栅单元结构和第二光栅单元结构相对设置。
8.进一步地，成像系统孔径光阑直径为dk且0.3bfl≤dk≤0.6bfl；第一微纳结构偏振光栅半直径为r1且0.5dk≤r1≤0.8dk；第二微纳结构偏振光栅半直径为r3且0.5dk≤r3≤0.8dk，bfl为成像系统后焦距；第一介质衬底厚度为t1且t1》10λ0；第二介质衬底厚度为t2且t2》10λ0，λ0为中心波长。
9.进一步地，第一光栅单元结构和第二光栅单元结构为悬链线状曲线或离散的n阶悬链线状单元结构，n为整数且n≥4；所述第一光栅单元结构和所述第二光栅单元结构横向周期长度为px且2λ0≤px≤6λ0；纵向周期为py且0.2λ0≤py≤0.8λ0；光栅结构高度为h且0.2λ0≤h≤λ0，光栅结构宽度为wt且0.1λ0≤wt≤0.4λ0；被分为n个区域时，每个区域的横向宽度为lx且0.5px/n≤lx≤px/n，λ0为中心波长。
10.进一步地，可调谐几何相位偏振光栅模块包括可调谐液晶偏振光栅模块，可调谐液晶偏振光栅模块的液晶分子可在平面内产生偏转，实现宽带手性光谱分析和宽带大视场成像两种功能的切换。
11.进一步地，宽带大视场成像模块包括微纳结构像差校正模块和透镜模块，微纳结构像差校正模块，为具有特定相位分布的亚波长结构，用于矫正所述透镜模块的像差；透镜模块，可为单个透镜或透镜组，用于将出射光聚焦在像面上。
12.进一步地，微纳结构像差校正模块沿光轴设置于可调谐几何相位偏振光栅模块下游，可一体化集成在可调谐几何相位偏振光栅模块上，或与可调谐几何相位偏振光栅模块相分离设置。
13.进一步地，微纳结构像差校正模块为离散高度的台阶结构或超表面纳米柱结构；微纳结构像差校正模块半直径为r2且0.5dk≤r2≤0.8dk，dk为孔径光阑直径；透镜模块为球面透镜，球面透镜中心厚度为dc且dc≥0.2bfl，球面透镜半直径为r且r≥0.5bfl，第一面曲率半径为rc1且rc1≤-bfl，第二面曲率半径为rc2且rc2≤-bfl，bfl为成像系统后焦距。
14.本发明的另一方面，提供了一种基于微纳结构的宽带手性光谱分析和大视场成像系统的设计方法，包括以下步骤：
15.确定入射光宽带范围(λ
min
，λ
max
)和可调谐几何相位偏振光栅模块的偏振光栅周期px；
16.采用仿真方法对可调谐几何相位偏振光栅模块进行模拟计算，根据几何相位原理调整可调谐几何相位偏振光栅模块的偏振光栅结构，偏振光栅结构可将入射光的左、右旋圆偏振光成分分离至
±
1级；
17.根据入射光宽带范围(λ
min
，λ
max
)和偏振光栅周期px，计算最大衍射角θ
max
，
[0018][0019]
设计宽带大视场成像模块，使宽带大视场成像模块成像带宽覆盖入射光宽带范围(λ
min
，λ
max
)，成像视场大于或等于最大衍射角θ
max
。
[0020]
进一步地，调整所述可调谐几何相位偏振光栅模块的偏振光栅结构的方法为：可调谐几何相位偏振光栅模块横向具有m个周期的光栅单元结构，一个周期内相位分布为：
[0021][0022]
一个周期内光栅单元结构曲线为：
[0023][0024]
其中，px为横向周期长度，x为周期内坐标。
[0025]
进一步地，一个周期内光栅单元结构曲线离散成n阶单元结构，n阶单元结构相对于横向其偏转角度为
[0026]
进一步地，选取宽带大视场成像模块的微纳结构相差校正模块为离散高度的台阶结构或超表面纳米柱结构；
[0027]
若选取微纳结构相差校正模块为离散高度的台阶结构，已知相位分布的平面，根据
[0028][0029]
其中，δd为任意两个加工在平面上的台阶的高度差，λ0为中心波长，δφ为实现成像效果所需的、并由高度差引起的相位差；n为平面折射率；根据δd得到在平面上的不同位置的台阶高度；
[0030]
若选取微纳结构相差校正模块为超表面纳米柱结构，已知相位分布的平面，根据
[0031][0032]
其中，δn为任意两个加工在平面上的纳米柱的等效折射率差，h为纳米柱高度，δφ为实现成像效果所需的、并由于不同纳米柱平面尺寸引起的相位差；根据δn可优化得到在平面上的不同位置的纳米柱平面尺寸。
[0033]
本发明具有的有益效果在于：
[0034]
首先，整个成像系统采用全介质结构，比起金属结构，光的反射、散射和吸收的损耗低；
[0035]
其次，微纳结构像差校正器和微纳结构偏振光栅设计所用的介质结构可以对光波进行高效率、低散射波前调控，即使在倾斜入射下也具有很高的性能；
[0036]
最后，通过调整微纳结构偏振光栅的衍射级次，可方便地实现近距离物体宽带大
视场成像功能和远距离物体宽带手性光谱分析功能的切换，解决传统几何光学系统存在镜片数量多、光路复杂、功能有限等诸多限制问题。
附图说明
[0037]
图1为本发明实施例一的实现宽带手性光谱分析和宽带大视场成像两种功能的光学系统示意图，其中，图1(a)为光学系统实现宽带手性光谱分析时的平面示意图，图1(b)为光学系统实现宽带大视场成像的平面示意图。
[0038]
图2(a)为本发明实施例一的微纳结构偏振光栅的光栅单元结构俯视图，图2(b)为实施例一的微纳结构偏振光栅的光栅单元结构切面示意图，图2(c)为光栅单元结构cst仿真在8-14μm的偏振转换绝对效率和相对效率图，图2(d)为两片微纳结构偏振光栅实现功能切换的原理示意图。
[0039]
图3为本发明实施例二的可调谐液晶偏振光栅模块液晶分子平面排布示意图。
[0040]
图4为本发明实施例二的可调谐液晶偏振光栅模块实现功能切换的原理示意图。
[0041]
图5为本发明实施例二的实现宽带手性光谱分析和宽带大视场成像两种功能的光学系统示意图，其中，图5(a)为光学系统实现宽带手性光谱分析时的平面示意图，图5(b)为光学系统实现宽带大视场成像的平面示意图。
[0042]
图6(a)为本发明实施例一的微纳结构像差校正模块沿直径方向的相位分布图，图6(b)为本发明实施例一的微纳结构像差校正模块针对不同入射波长时在径向上产生的相位分布，图6(c)为本发明实施例一的微纳结构像差校正模块5为超表面纳米柱结构时纳米柱结构及其透射系数示意图。
[0043]
图7(a)-7(d)为本发明实施例一的在不同入射波长下的宽带手性光谱分析时的zemax光学软件传递函数(mtf)仿真结果。图7(e)为本发明实施例一的不同入射波长处的光谱分辨率曲线图。
[0044]
图8(a)-8(d)为本发明实施例一在不同入射波长、不同入射角度的宽带大视场成像时的zemax光学软件mtf仿真结果。
[0045]
附图标记说明：
[0046]
1-第一介质衬底，2-第二介质衬底，3-第一光栅单元结构，4-第二光栅单元结构，5-微纳结构像差校正模块，6-透镜模块，7-可调谐液晶偏振光栅模块，8-第一负弯月透镜(其左侧球面为系统的孔径光阑)，9-双凸透镜，10-第二负弯月透镜。
具体实施方式
[0047]
下面结合附图及具体实施方式对本发明进行详细说明，但本发明的保护范围并不仅限于下面实施例，应包括权利要求书中的全部内容。而且本领域技术人员从以下的一个实施例即可实现权利要求中的全部内容。
[0048]
如图1所示，该基于微纳结构的宽带手性光谱分析和大视场成像系统包括两个模块，两个模块均为介质材料，沿光轴方向依次为：可调谐几何相位偏振光栅模块和宽带大视场成像模块；可调谐几何相位偏振光栅模块，通过将入射光的左、右旋圆偏振分量分离至不同方向或使入射光直接透过，实现宽带手性光谱分析和宽带大视场成像两种功能的切换；宽带大视场成像模块，用于将不同出射方向的光聚焦在同一像面的不同位置，并将同一方
向不同波长的出射光聚焦在相同位置。
[0049]
其中，可调谐几何相位偏振光栅模块包括两种组成方式，分别为由两片微纳结构偏振光栅组成或由可调谐液晶偏振光栅模块组成。当可调谐几何相位偏振光栅模块由两片微纳结构偏振光栅组成时，微纳结构偏振光栅用于将入射光的左、右旋圆偏振分量分离至不同方向或使入射光直接透过；至少一片微纳结构偏振光栅可绕其中心旋转，用于实现宽带手性光谱分析和宽带大视场成像两种功能的切换。第一微纳结构偏振光栅包括第一介质衬底1和设置于第一介质衬底上的多个第一光栅单元结构3，第一光栅单元结构3呈周期性排布；第二微纳结构偏振光栅包括第二介质衬底2和设置于第二介质衬底上的多个第二光栅单元结构4，第二光栅单元结构4也呈周期性排布；第一光栅单元结构和第二光栅单元结构相对设置，通过改变两者的相对位置，可将入射光的左、右旋圆偏振分量分离至不同方向或使入射光直接透过。成像系统孔径光阑直径为dk且0.3bfl≤dk≤0.6bfl；第一微纳结构偏振光栅半直径为r1且0.5dk≤r1≤0.8dk；第二微纳结构偏振光栅半直径为r3且0.5dk≤r3≤0.8dk，bfl为成像系统后焦距；第一介质衬底1厚度为t1且t1》10λ0；第二介质衬底2厚度为t2且t2》10λ0，λ0为中心波长。第一光栅单元结构和第二光栅单元结构可为悬链线状曲线或离散的n阶悬链线状单元结构。
[0050]
下面对近距离物体的宽带大视场成像功能和远距离物体的宽带手性光谱分析功能的切换原理进行说明:
[0051]
如图2(d)左图所示，此时第一微纳结构偏振光栅和第一微纳结构偏振光栅呈中心对称方式相对设置，为初始状态，入射光从第一介质衬底1入射，其左、右旋圆偏振分量分离至 1和-1级，根据光栅方程：
[0052]
px sin(θ)＝
±
λ0ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0053]
θ为衍射角，λ0为中心波长，px为横向周期长度， 1和-1级衍射角分别为：
[0054][0055][0056]
当光束作用于第二微纳结构偏振光栅时，根据光栅方程：
[0057]
px(sin(θ')-sin(θ
±1))＝
±
1λ0ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0058]
其中θ’为第二微纳结构偏振光栅的衍射角，初始状态时，光束连续经过第一微纳结构偏振光栅和第二微纳结构偏振光栅，两次出射的衍射相同，为 1级和 1级，或-1级和-1级，将公式(2)和公式(3)代入公式(4)，此时可得第二微纳结构偏振光栅出射 1和-1级衍射角分别为：
[0059][0060][0061]
可以看出光束通过两次相同衍射级次的微纳结构偏振光栅，衍射角加大，左旋圆偏振光和右旋圆偏振光分别以不同级次出射，而且由公式(5)和(6)可知，衍射角和波长呈正相关关系，因此正入射情况下的不同波长的光以不同衍射角出射，此时可以实现远距离
物体宽带手性光谱分析功能。
[0062]
如图2(d)右图所示，此时至少旋转其中一个微纳结构偏振光栅，使两个微纳结构偏振光栅相对转动180
°
，此时两个微纳结构偏振光栅呈镜像设置。如本实施例一中，第一微纳结构偏振光栅绕其中心转动180
°
，第二微纳结构偏振光栅固定不做旋转，光束连续经过第一微纳结构偏振光栅和第二微纳结构偏振光栅，两次出射的衍射相异，为 1级和-1级，或-1级和 1级，将公式(2)和公式(3)代入公式(4)，此时可得第二微纳结构偏振光栅出射 1和-1级衍射角分别为：
[0063][0064][0065]
光束通过两次相异的衍射级次的微纳结构偏振光栅，两次衍射角被抵消为0
°
，入射光与出射光方向相同，相当于两个光栅对圆偏振的作用抵消，即同一入射角下不同波长出射光均以同一方向出射，此时可以实现近距离物体宽带大视场成像功能。
[0066]
当可调谐几何相位偏振光栅模块由可调谐液晶偏振光栅模块7组成时，可调谐液晶偏振光栅模块7的液晶分子可在平面内产生偏转，实现宽带手性光谱分析和宽带大视场成像两种功能的切换。如图3所示，图中水平向为横向，竖直向为纵向。图3(a)中，当液晶分子长轴在平面内呈悬链线状分布时，入射光的左、右旋圆偏振分量被分离至
±
1级，因此不同波长的入射光以不同衍射角出射，此时可以实现远距离物体宽带手性光谱分析功能，见图4(a)。图3(b)中，当平面内的液晶分子长轴方向一致时，将失去几何相位调制作用，入射光直接透过可调谐液晶偏振光栅模块，即同一入射角下不同波长出射光均以同一方向出射，此时可以实现近距离物体宽带大视场成像功能，见图4(b)。
[0067]
为了通过几何相位使可调谐几何相位偏振光栅模块实现圆偏振分离至
±
1级，现对第一光栅单元结构和第二光栅单元结构或液晶分子偏转角度的设计方法进行说明：
[0068]
如图2(a)所示，图中水平向为横向，竖直向为纵向。可调谐几何相位偏振光栅模块横向具有m个周期的光栅单元结构，作为衍射器件，一个光栅单元结构(或液晶分子单元结构)产生的几何相位分布可以表示为：
[0069][0070]
其中，θ为衍射角(见图2(d))，λ0为中心波长，px为横向周期长度，x为周期内坐标；由于通过光栅单元结构(或液晶分子单元结构)横向偏转产生的几何相位进行波前调控，即几何相位的值等于2倍的光栅单元结构(或液晶分子单元结构)在横向上向纵向偏转的角度β。因此，对于光栅单元结构(或液晶分子单元结构)，其偏转角度分布进而，由不同偏转角度的光栅单元结构(或液晶分子单元结构)构成的曲线的斜率分布可表示为：
[0071]
k(x)＝tan(β(x))
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(10)
[0072]
对公式(10)进行积分运算，可得到光栅单元结构(或液晶分子单元结构)曲线的分布：
[0073][0074]
很明显，式(11)为标准的等强度悬链线方程。当x接近
±
0.5px时，曲线斜率k趋近于无限大或者无限小，增加工艺难度。为了降低微纳结构偏振光栅加工难度，光栅单元结构曲线可离散成n阶悬链线状单元结构，该离散的n阶悬链线状单元结构与横向间的夹角位于0-180
°
范围内，n阶悬链线状单元结构相对于横向其偏转角度分别为n为整数且n≥4；光栅单元结构(或液晶分子单元结构)横向周期长度为px且2λ0≤px≤6λ0；纵向周期为py且0.2λ0≤py≤0.8λ0，被分为n个区域时，每个区域的横向宽度为lx且0.5px/n≤lx≤px/n。光栅单元结构的光栅结构高度为h且0.2λ0≤h≤λ0，光栅结构宽度为wt且0.1λ0≤wt≤0.4λ0；λ0为中心波长。本发明的光栅单元结构(或液晶分子单元结构)不局限于悬链线曲线或n阶悬链线状单元结构，还可以使用其他连续型或离散型结构或其他组成形式，以产生特定的几何相位。
[0075]
宽带大视场成像模块包括微纳结构像差校正模块5和透镜模块6，微纳结构像差校正模块5，为具有特定相位分布的亚波长结构，用于矫正所述透镜模块的像差；透镜模块6，可为单个透镜或透镜组(见图5，透镜模块6由8-第一负弯月透镜，9-双凸透镜，10-第二负弯月透镜共同组成)，用于将出射光聚焦在像面上；当透镜模块为球面透镜时，球面透镜中心厚度为dc且dc≥0.2bfl，球面透镜半直径为r且r≥0.5bfl，第一面曲率半径为rc1且rc1≤-bfl，第二面曲率半径为rc2且rc2≤-bfl，bfl为成像系统后焦距。在实际运用中，不同情况下微纳结构像差校正模块和透镜模块在光轴上的位置并不相同，微纳结构像差校正模块可设置在透镜模块上游、下游或透镜组的内部，微纳结构像差校正模块和透镜模块共同组成的宽带大视场成像模块能实现将出射光聚焦在像面上即可。如实施例一中，微纳结构像差校正模块位于透镜模块上游(见图1)，实施例二中，微纳结构像差校正模块位于透镜模块下游(见图5)。微纳结构像差校正模块沿光轴设置于可调谐几何相位偏振光栅模块下游，可一体化集成在可调谐几何相位偏振光栅模块上(参见实施例一，图1)，或与可调谐几何相位偏振光栅模块相分离设置(参见实施例二，图5)。微纳结构像差校正模块5具有特定的相位分布，根据光束在传播过程中引起的相位延迟的原理，本发明的微纳微纳结构像差校正模块5不局限于使用离散高度的台阶结构和超表面纳米柱结构，还可以使用其他连续型或离散型结构，以产生所需的相位分布。微纳结构像差校正模块5半直径为r2且0.5dk≤r2≤0.8dk，dk为孔径光阑直径。
[0076]
微纳结构像差校正模块5可产生特定的相位分布。入射光束经过可调谐几何相位偏振光栅模块后为大视场光束，微纳结构像差校正模块5可以实现在大视场入射情况下对透镜模块6的像差校正，在确定了入射光宽带范围(λ
min
，λ
max
)和可调谐几何相位偏振光栅模块的偏振光栅周期为px；根据入射光宽带范围(λ
min
，λ
max
)和偏振光栅周期px，计算最大衍射角θ
max
，
[0077][0078]
设计宽带大视场成像模块，使所述宽带大视场成像模块成像带宽覆盖入射光宽带
范围(λ
min
，λ
max
)，成像视场大于或等于最大衍射角θ
max
。
[0079]
现对微纳结构像差校正模块5的设计方法进行说明：
[0080]
光束在传播过程中引起的相位延迟，可表示为：
[0081][0082]
微纳结构像差校正模块5采用离散高度的台阶结构时，选取一个已知相位分布的平面，根据已知的微纳结构像差校正模块5沿直径方向的相位分布图，可以计算出平面上不同位置台阶的高度差δd：
[0083][0084]
其中，δd为任意两个加工在平面上的台阶的高度差，λ0为中心波长，δφ为已知的、成像所需的、由于高度差引起的相位差，n是平面的折射率；根据δd得到在平面上的台阶结构。
[0085]
微纳结构像差校正模块5采用超表面纳米柱结构时,根据已知的微纳结构像差校正模块5沿直径方向的相位分布图，得到不同位置的等效折射率n，得到不同位置出纳米柱的边长。进而在平面厚度不变的情况下，进行相位调控。根据
[0086][0087]
其中，δn为任意两个加工在平面上的纳米柱的等效折射率差，δφ为由于不同纳米柱平面尺寸不同引起的相位差，根据δn可得到在平面上的不同位置的纳米柱平面尺寸。
[0088]
为了更好的理解本发明，现结合实施例一做进一步解释。
[0089]
本实施例中，对远红外波段(λ
min
，λ
max
)为8-14μm设计了基于微纳结构的宽带大视场成像系统，此时，中心波长λ0为11μm。该发明同样适用于光波段、太赫兹波段和微波段，不过需要对介质材料进行选择，针对不同的入射光，可以选择不同的介质材料，如可见光波长范围内，可选择tio2，在红外波长范围内，可选择si、ge、zns等，本实施例中介质球面透镜6材料为ge，第一微纳结构偏振光栅和第二微纳结构偏振光栅材料均为si。微纳结构像差校正模块5一体化集成在可调谐几何相位偏振光栅模块上，本实施例一中微纳结构像差校正模块5和多个第二光栅单元结构4分别设置在第二介质衬底2两侧平面上。成像系统后焦距bfl＝12.514mm，孔径光阑直径为dk＝5mm，球面透镜中心厚度为dc＝5mm，半直径为r＝8mm，第一面曲率半径为rc1＝-33.329mm，第二面曲率半径为rc2＝-19.059mm；第一介质衬底1的厚度为t1＝0.5mm，第二介质衬底2的厚度为t2＝1mm，第一微纳结构偏振光栅的半直径为r1＝3.046mm，第二微纳结构偏振光栅半直径r3和微纳结构像差校正模块5半直径r2均为r3＝r2＝2.835mm。本实施例采用cst电磁仿真软件和zemax光学设计软件对系统的性能进行仿真测试。
[0090]
如图1(a)所示，对远距离物体进行探测成像时，第一微纳结构偏振光栅和第二微纳结构偏振光栅呈中心对称方式相对放置，此时为初始状态，入射光从第一介质衬底1入射。光束经过第一微纳结构偏振光栅3与第一微纳结构偏振光栅4分别以不同级次出射，衍射角和波长呈正相关关系，因此正入射情况下的不同波长的光以不同衍射角出射，此时结合不同物体所具有的光谱图，可以实现远距离物体宽带手性光谱分析功能。如图1(b)所示，
将第一微纳结构偏振光栅绕其中心旋转180
°
，使两者呈镜像相对放置，此时光束连续经过第一光栅单元结构3与第二光栅单元结构4的相异级次，两次衍射角被抵消为0
°
，入射光与出射光方向相同，相当于两个微纳结构偏振光栅对圆偏振的作用抵消，此时可以实现近距离物体宽带大视场成像功能。
[0091]
如图2(a)、2(b)所示，本实施例将每个周期的光栅单元结构离散成悬链线状的八阶单元结构，该八阶单元结构与横向间的夹角位于0-180
°
范围内，相对于横向的夹角分别为0
°
，22.5
°
，45
°
，67.5
°
，90
°
，112.5
°
，135
°
和157.5
°
，由八阶光栅单元结构组成的光栅的横向周期为px＝58.8235μm，每个区域的横向宽度为lx＝6.493μm，光栅单元结构纵向周期为py＝1.62μm，光栅单元结构高度为h＝6μm，光栅结构宽度为wt＝1.52μm。为了进行cst仿真，将设计出的八阶单元结构人为划分成多个仿真单元结构，其结构类似于图6(c)中的超表面纳米柱；取竖条光栅的一个仿真单元结构进行cst仿真，图2(c)为该仿真结果，在8-14μm范围内的平均偏振转换效率和平均相对效率均约为89.3％和99.3％，前者(后者)定义为透过射光中发生偏振转换部分的能量比上入射光(透射光)的总能量。基于几何相位的微纳结构偏振光栅可将入射光的左、右旋圆偏振分量分离至不同方向，高效率可确保成像系统杂散光较少，实现高空间分辨率和高光谱分辨率。
[0092]
图6(a)为微纳结构像差校正模块5的沿直径方向的切面相位分布图，微纳结构像差校正模块5在zemax光学软件中设置为二元面，优化后的相位分布具有旋转对称性，因此用图6(a)的沿直径方向的切面相位分布图进行微纳结构像差校正模块5结构的设计。在中心波长11μm处用图6(a)所示微纳结构像差校正模块5相位分布设计具体结构，图6(b)为所实施例在不同波长处的相位分布。该实施例的超表面纳米柱结构参数为：正方体柱衬底周期为p＝3.3μm，厚度t＝1μm，单元结构柱为正方体柱，柱高h＝10μm，边长d从1.96μm到2.28μm，步进为0.01μm，共33个单元结构。图6(c)为超表面单元纳米柱结构及选取d＝1.96μm，2.00μm，2.10μm，2.20μm和2.28μm时的透射系数示意图。
[0093]
图7(a)-7(d)为设计利用该方法构造的可重构宽带手性光谱分析和宽带大视场成像系统在不同入射波长下的宽带光谱分析时的zemax光学软件mtf仿真结果。本实施例中，光学系统分别在波长为8μm、10μm、12μm和14μm，入射角为0
°
时的仿真结果。
[0094]
入射角度为0
°
，宽带波段为8-14μm，此处取间隔2μm进行图示，即8μm、10μm、12μm和14μm。仿真过程中，将光学系统中的两个微纳结构偏振光栅以中心对称方式相对放置，该状态设为初始状态，入射光从第一介质衬底1入射。结果显示，由于使用了几何相位的微纳结构偏振光栅，可将左右旋圆偏振分量以不同出射方向分辨出来。图7(a)、7(b)中在8μm和10μm时系统成像效果极接近衍射极限，12μm和14μm时系统成像效果较为接近衍射极限，总体效果较好。图7(e)为该成像系统在不同波长处的光谱分辨率。光谱分辨率是指把光谱特征、谱带分解成为分离的成分的能力，分得愈细，波段愈多，光谱分辨率就愈高。在8-14μm波段范围内，分辨率随着波长增加而增加，但均高于50nm，具有很好的光谱分离能力。
[0095]
图8(a)-8(d)为设计利用该方法构造的可重构宽带手性光谱分析和宽带大视场成像系统在不同入射角度下的宽带大视场成像时的zemax光学软件mtf仿真结果，此时第一微纳结构偏振光栅3与第二微纳结构偏振光栅4间相对转动180
°
，使得两者呈镜像相对放置，入射波长为8μm、9μm、10μm、11μm、12μm、13μm和14μm，入射角为0
°
、10
°
、20
°
和30
°
。
[0096]
入射角度分别为0
°
，10
°
，20
°
和30
°
，宽带波段为8-14μm，此处取间隔1μm进行图示，
即8μm，9μm，10μm，11μm，12μm，13μm和14μm。仿真过程中，初始状态下的第二片光栅固定不动，将第一片光栅相对第二片光栅旋转180
°
，使得两者呈镜像相对放置，入射光从第一片光栅的衬底入射。图8中在0
°
，10
°
和20
°
时系统成像效果非常接近衍射极限，30
°
时系统成像效果较为接近衍射极限，因此宽带消色差聚焦效果较好。
[0097]
另外，将第一微纳结构偏振光栅相对第二微纳结构偏振光栅旋转180
°
的过程中，旋转角度会从0
°
变化到180
°
，对于光谱分析而言，随着旋转角度的增大，光谱分辨力逐渐增大，在180
°
时达到最大，此时系统的宽带手性光谱分析功能最好。在旋转方向不变的情况下，旋转角度继续从180
°
变化到360
°
的过程中，随着旋转角度的增大，光谱分辨力逐渐减小，在360
°
时恢复为初始状态，此时系统功能变为宽带大视场成像。
[0098]
因此，上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知技术。