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

技术特征：
1.一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，所述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，以及将同一方向不同波长的出射光聚焦在相同位置。2.根据权利要求1所述的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，其特征在于，所述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，所述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；至少一片所述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。3.根据权利要求2所述的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，其特征在于，所述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；所述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；所述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；所述第一光栅单元结构和所述第二光栅单元结构相对设置。4.根据权利要求3所述的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，其特征在于，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。5.根据权利要求3所述的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，其特征在于，所述第一光栅单元结构和所述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。6.根据权利要求1所述的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，其特征在于，所述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，所述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。7.根据权利要求1所述的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，其特征在于，所述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。8.根据权利要求7所述的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，其特征在于，所述微纳结构像差校正模块沿光轴设置于所述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。9.根据权利要求7所述的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，其特征在于，所述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。10.一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，其特征在于，包括以下步骤：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；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所述可调谐几何相位偏振光栅模块的偏振光栅结构，所述偏振光栅结构可将入射光中的左、右旋圆偏振分量分离至
±
1级；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
，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
。11.根据权利要求10所述的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，其特征在于，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：所述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，一个周期内光栅单元结构曲线为：其中，px为横向周期长度，x为周期内坐标。12.根据权利要求11所述的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，其特征在于，一个周期内光栅单元结构曲线可离散成n阶悬链线状单元结构，所述n阶悬链线状单元结构相对于横向其偏转角度分别为13.根据权利要求10所述的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，其特征在于，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；选取已知相位分布的平面；若微纳结构相差校正模块为离散高度的台阶结构，根据其中，δd为任意两个加工在所述平面上的台阶的高度差，λ0为中心波长，δφ为所需的
由于高度差引起的相位差，n为平面折射率；根据δd得到在所述平面上的不同位置的台阶高度；若微纳结构相差校正模块为超表面纳米柱结构，根据其中，δn为任意两个加工在所述平面上的纳米柱的等效折射率差，h为纳米柱高度，δφ为所需的由于不同纳米柱平面尺寸引起的相位差，根据δn可得到在所述平面上的不同位置的纳米柱平面尺寸。

技术总结
本发明公开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，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，以及将同一方向不同波长的出射光聚焦在相同位置。本发明设计的成像系统，具有结构简单，功能灵活等优点，可实现不同距离的物体探测和分析。体探测和分析。体探测和分析。


技术研发人员：罗先刚 张飞 蒲明博 马晓亮 李雄 王俊杰 赵泽宇
受保护的技术使用者：中国科学院光电技术研究所
技术研发日：2021.11.08
技术公布日：2022/1/18