[發明專利]基于超表面陣列獲取目標光譜光場信息的成像裝置及方法

在審

• 申請號: 202211678410.2
• 申請日: 2022-12-26
• 公開（公告）號: CN116412909A
• 公開（公告）日: 2023-07-11
• 發明（設計）人: 陶驍;李大鵬;周衛文;史慶杰;陳寰
• 申請（專利權）人: 上海航天控制技術研究所
• 主分類號: G01J3/02
• 分類號: G01J3/02;G01J3/28
• 代理公司: 中國航天科技專利中心 11009
• 代理人: 楊春穎

本發明公開了一種基于超表面陣列獲取目標光譜光場信息的成像裝置及方法，該成像裝置包括：沿光軸方向依次設置的第一成像透鏡、光闌、第二成像透鏡、起偏器、雙層超表面陣列、檢偏器和探測器；第二成像透鏡的前焦面以及光闌與第一成像透鏡的像面位置重合；起偏器和檢偏器的透光軸方向與Y軸正方向夾角為45°；雙層超表面陣列為雙層3×3單元結構，包括：沿光軸設置的第一層超構透鏡陣列和第二層超構透鏡陣列。本發明通過超構透鏡陣列實現正交偏振分解和匯聚成像，顯著縮小了系統的體積，通過算法重建可以同步獲得目標場景的光譜和光場深度信息。

技術領域

本發明屬于光學成像探測技術領域，尤其涉及一種基于超表面陣列獲取目標光譜光場信息的成像裝置及方法。

背景技術

現有的多維探測系統無法滿足低結構復雜度，高動態，多維信息時空同步獲取的需求。傳統分光路結構的多維體制，其多采用兩個以上探測器通過分光路的方式實現，存在系統結構復雜有多個探測器，成本較高，光學利用效率低等問題。此類系統像差需要一系列透鏡組進行校正，導致系統尺寸過大，不利于小型集成化的探測應用。

超表面通常由亞波長尺寸的金屬或介質納米天線陣列構成。通過對超表面單元結構的設計和優化，利用超表面的亞波長分辨率對出射光的振幅、相位、偏振態、軌道角動量、頻率等多個物理量進行任意操控。超表面所具有的強大的波前調控能力使其有望成為傳統光學元件的替代品。超構光學技術被Science期刊評為2016年十大科學進展，被ScientificAmerican評為2019年十大頂級新興技術。

隨著超構元件在光學成像中的應用和發展，近兩年超構光學元件在商用、軍用領域也取得了應用突破。2022年Metalenz公司推出基于超構元件的偏振傳感器PolarEyes，實現了偏振三維成像，相比于傳統偏振相機，體積縮小5000倍，并且包含全斯托克斯參量，該技術特點是低成本，高靈敏，體積小，采用平面超構光學元件可收集傳統偏振相機丟失的偏振光信息，并通過這些信息進行解析，用于專業場景。

同年意法半導體與Metalenz公司合作推出了新一代飛行時間(ToF)測距傳感器，通過嵌入單片超構光學透鏡，該測距傳感器可以提供更多的功能，該技術取代傳統模塊多個光學元件，實現單片式三維成像。Metalenz公司結合半導體工藝和光學技術，使用集成電路芯片晶圓代工廠，在1片12寸晶圓上制造5000～10000個超構元件，實現大規模量產。這標志著超構表面首次出現在商用領域，當前階段主要用于消費類電子設備。

綜上所述，基于超表面的多維成像系統，不再需要笨重的機械掃描系統，具有小體積、質量輕的優勢。這使得這類系統具有優異的可集成性與高度的系統穩定性，可以適用于不同場景，具有極高的應用價值。隨著納米光子學的發展，將包括超表面在內的納米光學傳感系統與多維成像系統相結合，來實現系統的小型化、集成化，已逐漸成為多維成像領域的主要發展方向之一。

發明內容

本發明的技術解決問題：克服現有技術的不足，提供一種基于超表面陣列獲取目標光譜光場信息的成像裝置及方法，通過超構透鏡陣列實現正交偏振分解和匯聚成像，顯著縮小了系統的體積，通過算法重建可以同步獲得目標場景的光譜和光場深度信息。

為了解決上述技術問題，本發明公開了一種基于超表面陣列獲取目標光譜光場信息的成像裝置，包括：沿光軸方向依次設置的第一成像透鏡、光闌、第二成像透鏡、起偏器、雙層超表面陣列、檢偏器和探測器；

第二成像透鏡的前焦面以及光闌與第一成像透鏡的像面位置重合；

起偏器和檢偏器的透光軸方向與Y軸正方向夾角為45°；其中，Y軸與光軸垂直；

雙層超表面陣列為雙層3×3單元結構，包括：沿光軸設置的第一層超構透鏡陣列和第二層超構透鏡陣列。