[发明专利]一种轻型混合式超构红外镜头及其设计方法

说明书

本发明公开了一种轻型混合式超构红外镜头及其设计方法，该方法包括如下步骤：选择球面镜作为轻型混合式超构红外镜头的第一透镜，选择超构表面作为轻型混合式超构红外镜头的第二透镜；超构表面包括三种具有C4对称性的纳米柱，三种具有C4对称性的纳米柱作为三种超构原子，三种超构原子包括圆环柱型超构原子、圆柱型超构原子和方柱型超构原子；确定三种超构原子的相位突变与透过率信息和第二透镜的相位轮廓，基于相位轮廓以及透过率要求对三种不同尺寸的超构原子进行匹配得到超构表面的结构放置信息；将若干三种超构原子阵列按结构放置信息放置于基底上，与第一透镜组合形成轻型混合式超构红外镜头。最终实现成像系统重量显著降低。

技术领域

本发明涉及红外热成像技术领域，具体涉及一种轻型混合式超构红外镜头及其设计方法。

背景技术

近些年，红外热成像设备行业也在疾速发展，设备小型化轻型化，无人机搭载红外光电载荷，利用红外热成像技术从空中探测红外辐射，通过红外热像图，快速锁定监测目标，充分了解现场信息，帮助地面指挥人员尽快做出可靠的解决方案，可以大幅减少人力或代替人力完成各类复杂作业环境下的巡检工作，大大提升了巡检效率。高集成度的红外热像仪测温组件与无人机的飞控系统深度整合，是无人机红外热成像技术的主要工作原理，红外热像仪测温组件依赖于光学红外镜头的设计，成像效果也受到红外透镜的曲率、镜片厚度、镜筒及镜片材料的影响。在保证成像质量的前提下，最大限度减少镜片数量，改进复杂的红外热成像系统，使得所设计红外成像镜头总重量显著低于常规镜头系统，从而达到减轻镜头重量的效果，也间接提升了无人机的飞行稳定性和工作续航时间。然而在远红外波段光学系统在使用非球面镜成像情况下，至少两片或两片以上数量镜片组合才可满足消除基本像差实现良好的成像需求，如此将面临无法使高质量成像与重量减轻兼得的难题。

随着微纳加工技术的进步，对于光学的研究逐渐从传统的折射光学慢慢延伸到衍射光学，甚至到了平面光学范畴。超构表面(Meta surface)是一类由一种或多种微纳级别尺寸的超构原子组成的二维平面结构，通过研究发现，通过精确地引入相位突变实现对电磁波的振幅、相位、偏振等光学性质的任意调控。不同于基于相位积累来实现电磁波波前调控的传统光学器件，超构表面具有超薄、超轻、易于集成等优点。

发明内容

有鉴于此，为了解决现有技术中的上述问题，本发明提出一种轻型混合式超构红外镜头及其设计方法，基于传输相位调控的机理，经过对三种C4对称超构原子的突变相位和透过率进行精确筛选，实现透镜相应位置的高透过率以及精准相位，最终实现成像系统重量显著降低。

本发明通过以下技术手段解决上述问题：

一方面，本发明提供一种轻型混合式超构红外镜头的设计方法，包括如下步骤：

S1、选择球面镜作为轻型混合式超构红外镜头的第一透镜，选择超构表面作为轻型混合式超构红外镜头的第二透镜；

S2、超构表面包括三种具有C4对称性的纳米柱，三种具有C4对称性的纳米柱作为三种超构原子，三种超构原子的尺寸不同，引起不同相位突变，三种超构原子包括圆环柱型超构原子、圆柱型超构原子和方柱型超构原子；

S3、确定一定尺寸范围内的三种超构原子相位突变与透过率信息以及第二透镜的相位轮廓，基于相位轮廓以及透过率要求对三种不同尺寸的超构原子进行匹配得到超构表面的结构放置信息；

S4、将若干三种超构原子阵列按结构放置信息放置于基底上，与第一透镜组合形成轻型混合式超构红外镜头。

进一步地，所述第一透镜的玻璃材料为锗材料，第二透镜的基底为氟化钡材料。

进一步地，圆环柱型超构原子内径R_in的范围为0.4μm～1.4μm，外径R_out的范围为1.6μm～2.6μm；圆柱型超构原子半径R的范围为0.5μm～2.5μm；方柱型超构原子边长a的范围为2μm～5.5μm。