基于超表面阵列获取目标光谱光场信息的成像装置及方法与流程

1.本发明属于光学成像探测技术领域，尤其涉及一种基于超表面阵列获取目标光谱光场信息的成像装置及方法。


背景技术：

2.现有的多维探测系统无法满足低结构复杂度，高动态，多维信息时空同步获取的需求。传统分光路结构的多维体制，其多采用两个以上探测器通过分光路的方式实现，存在系统结构复杂有多个探测器，成本较高，光学利用效率低等问题。此类系统像差需要一系列透镜组进行校正，导致系统尺寸过大，不利于小型集成化的探测应用。
3.超表面通常由亚波长尺寸的金属或介质纳米天线阵列构成。通过对超表面单元结构的设计和优化，利用超表面的亚波长分辨率对出射光的振幅、相位、偏振态、轨道角动量、频率等多个物理量进行任意操控。超表面所具有的强大的波前调控能力使其有望成为传统光学元件的替代品。超构光学技术被science期刊评为2016年十大科学进展，被scientific american评为2019年十大顶级新兴技术。
4.随着超构元件在光学成像中的应用和发展，近两年超构光学元件在商用、军用领域也取得了应用突破。2022年metalenz公司推出基于超构元件的偏振传感器polareyes，实现了偏振三维成像，相比于传统偏振相机，体积缩小5000倍，并且包含全斯托克斯参量，该技术特点是低成本，高灵敏，体积小，采用平面超构光学元件可收集传统偏振相机丢失的偏振光信息，并通过这些信息进行解析，用于专业场景。
5.同年意法半导体与metalenz公司合作推出了新一代飞行时间(tof)测距传感器，通过嵌入单片超构光学透镜，该测距传感器可以提供更多的功能，该技术取代传统模块多个光学元件，实现单片式三维成像。metalenz公司结合半导体工艺和光学技术，使用集成电路芯片晶圆代工厂，在1片12寸晶圆上制造5000～10000个超构元件，实现大规模量产。这标志着超构表面首次出现在商用领域，当前阶段主要用于消费类电子设备。
6.综上所述，基于超表面的多维成像系统，不再需要笨重的机械扫描系统，具有小体积、质量轻的优势。这使得这类系统具有优异的可集成性与高度的系统稳定性，可以适用于不同场景，具有极高的应用价值。随着纳米光子学的发展，将包括超表面在内的纳米光学传感系统与多维成像系统相结合，来实现系统的小型化、集成化，已逐渐成为多维成像领域的主要发展方向之一。


技术实现要素：

7.本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种基于超表面阵列获取目标光谱光场信息的成像装置及方法，通过超构透镜阵列实现正交偏振分解和汇聚成像，显著缩小了系统的体积，通过算法重建可以同步获得目标场景的光谱和光场深度信息。
8.为了解决上述技术问题，本发明公开了一种基于超表面阵列获取目标光谱光场信息的成像装置，包括：沿光轴方向依次设置的第一成像透镜、光阑、第二成像透镜、起偏器、
双层超表面阵列、检偏器和探测器；
9.第二成像透镜的前焦面以及光阑与第一成像透镜的像面位置重合；
10.起偏器和检偏器的透光轴方向与y轴正方向夹角为45
°
；其中，y轴与光轴垂直；
11.双层超表面阵列为双层3
×
3单元结构，包括：沿光轴设置的第一层超构透镜阵列和第二层超构透镜阵列。
12.在上述基于超表面阵列获取目标光谱光场信息的成像装置中，第一层超构透镜阵列中每一个子单元a结构相同，各子单元a内包括各项异性纳米柱a，异性纳米柱a呈环状阵列分布且具有横轴长度和纵轴长度，在以各子单元a中心为原点的同一半径环上的横轴长度和纵轴长度相同，不同半径环上的横轴长度和纵轴长度不同。
13.在上述基于超表面阵列获取目标光谱光场信息的成像装置中，第一层超构透镜阵列为偏振依赖性分光束超构透镜阵列，第一层超构透镜阵列的衬底材料为二氧化硅。
14.在上述基于超表面阵列获取目标光谱光场信息的成像装置中，异性纳米柱a的材料为氮化镓，异性纳米柱a的结构形状为长方体a，异性纳米柱a的长宽根据不同位置所需的透镜相位来确定，不同位置上异性纳米柱a高度和周期是不变的；其中，当异性纳米柱a的长宽不同时，异性纳米柱a将对不同波长的入射线偏振光的正交分量产生不同的有效折射率，导致出射线偏振光的相位不同。
15.在上述基于超表面阵列获取目标光谱光场信息的成像装置中，当入射偏振光透过异性纳米柱a时，每一个异性纳米柱a产生的共振相位满足如下透镜相位公式要求：
[0016][0017]
其中，λ表示入射偏振光的波长，x和y分别表示横轴方向和纵轴方向上的位置坐标，f表示透镜焦距。
[0018]
在上述基于超表面阵列获取目标光谱光场信息的成像装置中，第二层超构透镜阵列中每一个子单元b结构相同，各子单元b内包括各项异性纳米柱b，异性纳米柱b呈环状阵列分布且具有横轴长度、纵轴长度和旋转角度，在以各子单元b中心为原点的同一半径环上的横轴长度和纵轴长度相同，旋转角不同，不同半径环上的横轴长度、纵轴长度和旋转角不同。
[0019]
在上述基于超表面阵列获取目标光谱光场信息的成像装置中，第二层超构透镜阵列为偏振依赖性消色差超构透镜阵列，第二层超构透镜阵列的衬底材料为二氧化硅。
[0020]
在上述基于超表面阵列获取目标光谱光场信息的成像装置中，异性纳米柱b的材料为氮化镓，异性纳米柱b的结构形状为长方体，异性纳米柱b的长宽根据不同位置所需的透镜相位来确定，异性纳米柱b的旋转角度根据目标相位来确定，不同位置上异性纳米柱b的高度和周期是不变的；其中，当异性纳米柱b的长宽、旋转角度不同时，异性纳米柱b将对不同波长的线偏振光产生不同的光程差并会聚到探测器上。
[0021]
在上述基于超表面阵列获取目标光谱光场信息的成像装置中，当不同波长的线偏振光透过异性纳米柱b时，每一个异性纳米柱b产生的相位满足如下透镜相位公式要求：
[0022][0023]
其中，λ表示入射偏振光的波长，x和y分别表示横轴方向和纵轴方向上的位置坐
标，f表示透镜焦距，θ表示异性纳米柱b的旋转角度。
[0024]
相应的，本发明还公开了一种基于超表面阵列获取目标光谱光场信息的成像方法，包括：
[0025]
来自目标的入射光通过第一成像透镜成像在光阑上，之后入射至第二成像透镜，形成准直光经过起偏器变为线偏振光；
[0026]
线偏振光经过第一层超构透镜阵列中的每一个子单元a分解为振动方向相互正交的o光和e光；o光和e光通过第二层超构透镜阵列中的每一个子单元b变为e光和o光出射，e光和o光具有光程差，不同波长入射光得到的e光和o光的光程差不同；
[0027]
e光和o光入射至检偏器，形成偏振方向一致的光束；
[0028]
相同偏振方向的光束在探测器上会聚成像，形成3
×
3阵列图像并产生干涉条纹；
[0029]
通过图像解构算法，将3
×
3阵列图像和干涉条纹从原始图像中分别提取出来，并分别利用光场图像信息以及干涉条纹信息重建目标场景的深度和光谱。
[0030]
本发明具有以下优点：
[0031]
(1)本发明公开了一种基于超表面阵列获取目标光谱光场信息的成像方案，在快照式系统一次成像面后放置双层超表面阵列，通过双层超表面阵列在单次曝光下同时获取光谱和光场深度信息，替代了传统多维探测系统中双折射棱镜和位相延迟器件，大幅缩小了系统的体积。
[0032]
(2)本发明公开了一种基于超表面阵列获取目标光谱光场信息的成像方案，两层超构透镜阵列具备不同的功能性，第一层为分光束超构透镜阵列，通过异性纳米柱a的尺寸及结构解决了正交线偏振光的分束问题。第二层为消色差超构透镜阵列，通过异性纳米柱b的尺寸及结构解决了消色差成像问题，由此显著提高了对目标多维信息的同步探测能力。
附图说明
[0033]
图1是本发明实施例中一种基于超表面阵列获取目标光谱光场信息的成像装置的结构示意图；
[0034]
图2是本发明实施例中一种第一层超构透镜阵列的结构示意图
[0035]
图3是本发明实施例中一种第二层超构透镜阵列的结构示意图。
具体实施方式
[0036]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明公开的实施方式作进一步详细描述。
[0037]
如图1，在本实施例中，该基于超表面阵列获取目标光谱光场信息的成像装置，包括：沿光轴方向依次设置的第一成像透镜1、光阑2、第二成像透镜3、起偏器4、双层超表面阵列5、检偏器6和探测器7。其中，第二成像透镜3的前焦面以及光阑2与第一成像透镜1的像面位置重合；起偏器4和检偏器6的透光轴方向与y轴正方向夹角为45
°
；其中，y轴与光轴垂直。双层超表面阵列5为双层3
×
3单元结构，包括：沿光轴设置的第一层超构透镜阵列51和第二层超构透镜阵列52。
[0038]
在本实施例中，如图2，第一层超构透镜阵列51中每一个子单元a结构相同，各子单元a内包括各项异性纳米柱a，异性纳米柱a呈环状阵列分布且具有横轴长度和纵轴长度，在
以各子单元a中心为原点的同一半径环上的横轴长度和纵轴长度相同，不同半径环上的横轴长度和纵轴长度不同。
[0039]
优选的，第一层超构透镜阵列51为偏振依赖性分光束超构透镜阵列，第一层超构透镜阵列51的衬底材料为二氧化硅。异性纳米柱a的材料为氮化镓，异性纳米柱a的结构形状为长方体a，异性纳米柱a的长宽根据不同位置所需的透镜相位来确定，不同位置上异性纳米柱a高度和周期是不变的；其中，当异性纳米柱a的长宽不同时，异性纳米柱a将对不同波长的入射线偏振光的正交分量产生不同的有效折射率，导致出射线偏振光的相位不同。
[0040]
优选的，当入射偏振光透过异性纳米柱a时，每一个异性纳米柱a产生的共振相位满足如下透镜相位公式要求：
[0041][0042]
其中，λ表示入射偏振光的波长，x和y分别表示横轴方向和纵轴方向上的位置坐标，f表示透镜焦距。
[0043]
在本实施例中，如图3，第二层超构透镜阵列52中每一个子单元b结构相同，各子单元b内包括各项异性纳米柱b，异性纳米柱b呈环状阵列分布且具有横轴长度、纵轴长度和旋转角度，在以各子单元b中心为原点的同一半径环上的横轴长度和纵轴长度相同，旋转角不同，不同半径环上的横轴长度、纵轴长度和旋转角不同。
[0044]
优选的，第二层超构透镜阵列52为偏振依赖性消色差超构透镜阵列，第二层超构透镜阵列52的衬底材料为二氧化硅。异性纳米柱b的材料为氮化镓，异性纳米柱b的结构形状为长方体，异性纳米柱b的长宽根据不同位置所需的透镜相位来确定，异性纳米柱b的旋转角度根据目标相位来确定，不同位置上异性纳米柱b的高度和周期是不变的；其中，当异性纳米柱b的长宽、旋转角度不同时，异性纳米柱b将对不同波长的线偏振光产生不同的光程差并会聚到探测器7上。
[0045]
优选的，当不同波长的线偏振光透过异性纳米柱b时，每一个异性纳米柱b产生的相位满足如下透镜相位公式要求：
[0046][0047]
其中，λ表示入射偏振光的波长，x和y分别表示横轴方向和纵轴方向上的位置坐标，f表示透镜焦距，θ表示异性纳米柱b的旋转角度。
[0048]
在本实施例中，还公开了一种基于超表面阵列获取目标光谱光场信息的成像方法，该成像方法依托上述成像装置实现，具体包括如下步骤：
[0049]
步骤1，来自目标的入射光通过第一成像透镜1成像在光阑2上，之后入射至第二成像透镜3，形成准直光经过起偏器4变为线偏振光。
[0050]
步骤2，线偏振光经过第一层超构透镜阵列51中的每一个子单元a分解为振动方向相互正交的o光和e光；o光和e光通过第二层超构透镜阵列52中的每一个子单元b变为e光和o光出射，e光和o光具有光程差，不同波长入射光得到的e光和o光的光程差不同。
[0051]
步骤3，e光和o光入射至检偏器6，形成偏振方向一致的光束。
[0052]
步骤4，相同偏振方向的光束在探测器7上会聚成像，形成3
×
3阵列图像并产生干涉条纹。
[0053]
步骤5，通过图像解构算法，将3
×
3阵列图像和干涉条纹从原始图像中分别提取出来，并分别利用光场图像信息以及干涉条纹信息重建目标场景的深度和光谱。
[0054]
综上所述，本发明在快照式系统一次成像面后放置双层超表面阵列，通过双层超表面阵列在单次曝光下同时获取光谱和光场深度信息，两层超表面阵列具备不同的功能性，第一层为分光束超构透镜阵列，通过异性纳米柱a的尺寸及结构解决了正交线偏振光的分束问题。第二层为消色差超构透镜阵列，通过异性纳米柱b的尺寸及结构解决了消色差成像问题，由此显著提高了对目标多维信息的同步探测能力。
[0055]
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
[0056]
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

技术特征：
1.一种基于超表面阵列获取目标光谱光场信息的成像装置，其特征在于，包括：沿光轴方向依次设置的第一成像透镜(1)、光阑(2)、第二成像透镜(3)、起偏器(4)、双层超表面阵列(5)、检偏器(6)和探测器(7)；第二成像透镜(3)的前焦面以及光阑(2)与第一成像透镜(1)的像面位置重合；起偏器(4)和检偏器(6)的透光轴方向与y轴正方向夹角为45
°
；其中，y轴与光轴垂直；双层超表面阵列(5)为双层3
×
3单元结构，包括：沿光轴设置的第一层超构透镜阵列(51)和第二层超构透镜阵列(52)。2.根据权利要求1所述的基于超表面阵列获取目标光谱光场信息的成像装置，其特征在于，第一层超构透镜阵列(51)中每一个子单元a结构相同，各子单元a内包括各项异性纳米柱a，异性纳米柱a呈环状阵列分布且具有横轴长度和纵轴长度，在以各子单元a中心为原点的同一半径环上的横轴长度和纵轴长度相同，不同半径环上的横轴长度和纵轴长度不同。3.根据权利要求2所述的基于超表面阵列获取目标光谱光场信息的成像装置，其特征在于，第一层超构透镜阵列(51)为偏振依赖性分光束超构透镜阵列，第一层超构透镜阵列(51)的衬底材料为二氧化硅。4.根据权利要求2所述的基于超表面阵列获取目标光谱光场信息的成像装置，其特征在于，异性纳米柱a的材料为氮化镓，异性纳米柱a的结构形状为长方体a，异性纳米柱a的长宽根据不同位置所需的透镜相位来确定，不同位置上异性纳米柱a高度和周期是不变的；其中，当异性纳米柱a的长宽不同时，异性纳米柱a将对不同波长的入射线偏振光的正交分量产生不同的有效折射率，导致出射线偏振光的相位不同。5.根据权利要求2所述的基于超表面阵列获取目标光谱光场信息的成像装置，其特征在于，当入射偏振光透过异性纳米柱a时，每一个异性纳米柱a产生的共振相位满足如下透镜相位公式要求：其中，λ表示入射偏振光的波长，x和y分别表示横轴方向和纵轴方向上的位置坐标，f表示透镜焦距。6.根据权利要求1所述的基于超表面阵列获取目标光谱光场信息的成像装置，其特征在于，第二层超构透镜阵列(52)中每一个子单元b结构相同，各子单元b内包括各项异性纳米柱b，异性纳米柱b呈环状阵列分布且具有横轴长度、纵轴长度和旋转角度，在以各子单元b中心为原点的同一半径环上的横轴长度和纵轴长度相同，旋转角不同，不同半径环上的横轴长度、纵轴长度和旋转角不同。7.根据权利要求6所述的基于超表面阵列获取目标光谱光场信息的成像装置，其特征在于，第二层超构透镜阵列(52)为偏振依赖性消色差超构透镜阵列，第二层超构透镜阵列(52)的衬底材料为二氧化硅。8.根据权利要求6所述的基于超表面阵列获取目标光谱光场信息的成像装置，其特征在于，异性纳米柱b的材料为氮化镓，异性纳米柱b的结构形状为长方体，异性纳米柱b的长宽根据不同位置所需的透镜相位来确定，异性纳米柱b的旋转角度根据目标相位来确定，不同位置上异性纳米柱b的高度和周期是不变的；其中，当异性纳米柱b的长宽、旋转角度不同
时，异性纳米柱b将对不同波长的线偏振光产生不同的光程差并会聚到探测器(7)上。9.根据权利要求8所述的基于超表面阵列获取目标光谱光场信息的成像装置，其特征在于，当不同波长的线偏振光透过异性纳米柱b时，每一个异性纳米柱b产生的相位满足如下透镜相位公式要求：其中，λ表示入射偏振光的波长，x和y分别表示横轴方向和纵轴方向上的位置坐标，f表示透镜焦距，θ表示异性纳米柱b的旋转角度。10.一种基于权利要求1所述的基于超表面阵列获取目标光谱光场信息的成像装置的成像方法，其特征在于，包括：来自目标的入射光通过第一成像透镜(1)成像在光阑(2)上，之后入射至第二成像透镜(3)，形成准直光经过起偏器(4)变为线偏振光；线偏振光经过第一层超构透镜阵列(51)中的每一个子单元a分解为振动方向相互正交的o光和e光；o光和e光通过第二层超构透镜阵列(52)中的每一个子单元b变为e光和o光出射，e光和o光具有光程差，不同波长入射光得到的e光和o光的光程差不同；e光和o光入射至检偏器(6)，形成偏振方向一致的光束；相同偏振方向的光束在探测器(7)上会聚成像，形成3
×
3阵列图像并产生干涉条纹；通过图像解构算法，将3
×
3阵列图像和干涉条纹从原始图像中分别提取出来，并分别利用光场图像信息以及干涉条纹信息重建目标场景的深度和光谱。

技术总结
本发明公开了一种基于超表面阵列获取目标光谱光场信息的成像装置及方法，该成像装置包括：沿光轴方向依次设置的第一成像透镜、光阑、第二成像透镜、起偏器、双层超表面阵列、检偏器和探测器；第二成像透镜的前焦面以及光阑与第一成像透镜的像面位置重合；起偏器和检偏器的透光轴方向与Y轴正方向夹角为45


技术研发人员：陶骁 李大鹏 周卫文 史庆杰 陈寰
受保护的技术使用者：上海航天控制技术研究所
技术研发日：2022.12.26
技术公布日：2023/7/12