紧凑型超表面近红外成像系统的制作方法

1.本技术属于光学透镜领域，特别涉及一种紧凑型超表面近红外成像系统。


背景技术：

2.近红外介于可见光和中红外光之间，是人眼不可见光。近红外波段散射效应大且穿透深度深，相比可见光其成像范围更加广，适用于低照度环境下的成像。因此使用近红外光探测技术将物体所辐射的近红外光转换为人眼可见的图像具有重要意义。
3.传统近红外成像系统主要由近红外光学系统镜头和图像传感器组成，而近红外光学系统镜头是由多片光学透镜组合而成，这就导致近红光学系统加工难度大，制造成本高昂，体积大难以集成等问题。这些问题严重限制了近红外成像系统的大规模应用。


技术实现要素：

4.本技术提供了一种紧凑型超表面近红外成像系统，以至少解决现有技术中存在的以上技术问题。
5.本技术实施例提供一种紧凑型超表面近红外成像系统，包括镜头、结构支撑件和图像传感器，所述镜头和所述图像传感器分别固定于所述结构支撑件的两端；所述镜头依次包括光阑层、光学滤波层、基底和超表面层，且所述光阑层不透光；所述图像传感器用于接收红外线。
6.在一可实施方式中，所述光学滤波层的中心波长为700-1100nm，半波宽为50nm。
7.在一可实施方式中，所述光阑层为不透光薄膜且集成在光学滤波层外，所述不透光薄膜与光阑孔径匹配。
8.在一可实施方式中，所述超表面层由微纳结构阵列组成。
9.在一可实施方式中，所述微纳结构阵列由若干纳米柱或纳米孔组成。
10.在一可实施方式中，所述纳米孔为纳米圆孔，纳米三角孔和纳米十字孔中的其中一种；
11.所述纳米柱为纳米圆柱、纳米三角柱和纳米十字柱中的其中一种，通过改变纳米柱的尺寸和排布以改变超表面层的相位，超表面层的相位变化为0-2π。
12.在一可实施方式中，所述超表面层的相位计算公式如下：
13.其中x，y为超表面原子坐标，x，y为超表面原子坐标，为斜入射光束与x轴和y轴入射倾角，f为所设计超透镜的焦距，λ为入射光波长，。
14.在一可实施方式中，所述超表面层的相位计算公式如下：
[0015][0016]
其中x，y为超表面原子坐标，为波矢，为波矢，为视场角，f为所设计超透镜的焦距，
λ为入射光波长。
[0017]
在一可实施方式中，微纳结构阵列的排布方式可为四方排布或六方排布。
[0018]
在一可实施方式中，所述图像传感器为ccd、cmos和近红外相机中的其中一种。
[0019]
与现有技术相比，本技术具有如下优点：
[0020]
1、本技术中成像系统采用微纳结构调制相位来代替传统透镜组，较大程度地缩减了成像系统尺寸和重量；
[0021]
2、本技术中采用光学滤波层代替实体滤波片，并在光学滤波层外制备与所需光阑孔径匹配的不透光薄膜，光学滤波层和光阑层均为薄膜，以两层薄膜替代传统的光阑和滤波片，大幅缩减了镜头的尺寸和加工成本，利于模块化集成。
附图说明
[0022]
图1为本技术实施例1中紧凑型超表面近红外成像系统的结构示意图；
[0023]
图2为本技术实施例2中紧凑型超表面近红外成像系统的结构示意图；
[0024]
图3为本技术实施例1中实际光线的光路图；
[0025]
图4为本技术实施例四方排布和六方排布示意图；
[0026]
图5为本技术实施例四方排布周期示意图；
[0027]
图6为本技术实施例六方排布周期示意图；
[0028]
附图标记说明：
[0029]
1、光阑层；2、光学滤波层；3、基底；4、超表面层；5、结构支撑件；6、图像传感器。
具体实施方式
[0030]
下面结合附图，对本技术作进一步详细说明。
[0031]
在本技术的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。
[0032]
近几年，新技术超表面受到广泛研究。超表面是使用超表面来聚焦光线地平面透镜。超表面由一系列人工天线组成，可以任意地操纵入射光的光学响应，包括其幅度、相位和偏振。这种技术可以实现与传统透镜一样的功能，且加工难度下降，加工成本也相应降低，集成度大幅提高。因此，使用超表面来替代近红外光学系统镜头，是降低近红外成像系统生产成本和提高近红外成像系统集成度的关键一步。
[0033]
市面上（cn215010478u）最新的近红外光学成像系统专利在一定程度上缩小了传统光学系统的尺寸，但是集成度依然不高，且制备成本高。因此，提出一个制备成本低集成度高的近红外成像系统是悬而未决的问题。这一技术的突破将促使近红外成像系统在静脉检测、虹膜识别、红外制导和车载夜视等领域打开更广阔的应用市场。
[0034]
本技术紧凑型超表面近红外成像系统的设计中，镜头采用热蒸镀法替代传统光阑和滤波片，直接蒸镀到超表面微纳结构的另一侧，可同时拥有多个优点，例如小体积，低成本，工艺难度低，集成度高。
[0035]
与此同时，将光阑、滤波片和超透镜集成到一起，整个模组长度缩短到5mm以内，且
不影响系统的光学性能，相位和透过率都满足要求，将有机会与其他电子设备组合使用，例如光谱仪，夜视仪等。
[0036]
紧凑型超表面近红外成像系统的具体结构见下述实施例。
[0037]
实施例1
[0038]
参照图1，本技术实施例提供了一种紧凑型超表面近红外成像系统，其包括镜头、结构支撑件5和图像传感器6，镜头和图像传感器6分别固定在结构支撑件5的两端。
[0039]
结构支撑件5可以为普通镜筒，其为封装成像系统的普通结构件。具体的，镜筒内侧设有环形凸起，起到限位作用。在将镜头安装至结构支撑件5的过程中，镜头与环形凸起抵接，以限制镜头的安装位置，确保镜头与图像传感器6之间具有足够的距离。
[0040]
图像传感器6能够接收到红外线，其包括但不限于电荷藕合器件图像传感器ccd（charge coupled device），互补性氧化金属半导体cmos（complementary metal-oxide semiconductor）和近红外相机。
[0041]
镜头由光阑层1、光学滤波层2、基底3和超表面层4集成而成，光学滤波层2通过热蒸镀法镀蒸镀到超表面4背面，光阑层1同样使用热蒸镀法镀到光学滤波层2上。
[0042]
为了阻隔光线，光阑层1由不透光材料构成。
[0043]
例如，光阑层1可由不透光薄膜组成，起到阻隔光线的作用，光线无法从薄膜透过。不透光薄膜在光学滤波层2外制备，并与所需光阑孔径匹配。光学滤波层2的中心波长为700-1100nm，半波宽为50nm。构成基底3的材料包括但不限于sio2和gaf2。构成超表面层4的材料包括但不限于氧化硅、氮化硅、氧化铝、氮化镓、氧化钛和非晶硅。
[0044]
超表面层4由微纳结构阵列组成，微纳结构阵列由若干纳米柱或纳米孔组成。微纳结构阵列的排布方式可为四方排布或六方排布。纳米孔包括但不限于纳米圆孔，纳米三角孔和纳米十字孔。纳米柱包括但不限于纳米圆柱、纳米三角柱和纳米十字柱，通过改变纳米柱的尺寸和排布以改变超表面层的相位，超表面层的相位变化为0-2π。
[0045]
纳米结构的功能是使得相位和透过率同时满足要求。如图5所示四方排布中，为每个纳米柱间的距离(周期)。图6所示六方排布中，x和y方向的有效周期为 ,。
[0046]
所述超表面层4的相位分布可根据如下方式获得（包括但不限于）：
[0047]
1.依据超表面相位计算公式设计，如下两个公式任选其一均可：
[0048]
（1）；
[0049]
（2）；
[0050]
其中x，y为超表面原子坐标，其中x，y为超表面原子坐标，为斜入射光束与x轴和y轴入射倾角，f为所设计超透镜的焦距，λ为入射光波长，。
[0051]
2.借助zemax等光学设计软件，采用二元相位面（binary2），根据优化目标获取相位分布，其常用的相位分布公式：
[0052][0053]
其中m为衍射级次，n为项数，为项的系数，对应相位所在归一化坐标。
[0054]
本实施例的成像半视场角可达到85
°
，图3为实际光线的光路图。
[0055]
本实施例中紧凑型超表面近红外成像系统的实施原理为：
[0056]
探测时，由被探测物体反射回的光束将在被光阑层1挡去杂散光，通过光阑层1的光束经过光学滤波层2被滤去其他波段。光束经过超表面4聚焦到所述图像传感器6上的接收端面，接收端面将进行模电转换。
[0057]
实施例2
[0058]
本实施例与实施例1的区别在于结构支撑件5的结构、镜头的结构和安装方式不同。
[0059]
参照图2，本技术实施例提供了一种紧凑型超表面近红外成像系统，其包括镜头、结构支撑件5和图像传感器6。镜头包括光学滤波层2、基底3和超表面层4。结构支撑件5靠近镜头的一端具有与实施例1中光阑层相同的结构，以代替光阑层1实现阻隔光线的作用。且本实施例中结构支撑件5不存在实施例1表述的环形凸起。
[0060]
上述成像系统的组装过程为：将镜头自右向左置于结构支撑件5内，至光学滤波层2与结构支撑件5抵接，再将图像传感器6置于结构支撑件5内。
[0061]
以上，仅为本公开的具体实施方式，但本公开的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本公开揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本公开的保护范围之内。因此，本公开的保护范围应以权利要求的保护范围为准。