一种超宽谱段无透镜偏振光谱系统

1.本发明涉及偏振光谱成像技术领域，尤其涉及一种超宽谱段无透镜偏振光谱系统。


背景技术：

2.光谱技术不同于传统的成像技术，是一项集光学、光谱学于一体的光电探测技术，获取的信息不仅包括二维空间信息，还包含随波长分布的光谱辐射信息。光谱技术被广泛应用于航天遥感、航空侦察、安防监控、生物医学、生态监测等军事和民用领域，随着科学技术的进步，对于光学系统的便携性与高性能需求越来越大，要求其具有宽波段、成像性能好、重量轻、体积小等特性，传统的折射型系统虽然具有较好的性能，但系统结构复杂且体积大。
3.随着超精密加工技术的迅速发展，可实现衍射元件的加工，在系统中引入衍射元件，可实现色散，在一定程度上可简化系统结构，但是体积仍然远超过波长量级，传统超大色散系统是通过沿光路逐渐累积光程差来产生相移从而调制波前，至少要大于一个波长的距离才能有比较明显的位相变化，大色散、宽谱段、高分辨率相互制约，若实现宽谱段且光谱分辨率可调，需增加滤光片轮切换不同波段从而获得不同的光谱分辨率，系统体积很大；且获得物体的偏振特性需增加偏振片、半波片等多个偏振器件，不易集成，成本高。因此即使传统色散控制手段已经非常成熟，但传统光学器件仍然无法满足现今对超薄、超轻、便携器件的追求，现有技术迫切需要一种超薄、超轻元件并且可集成的色散控制系统。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种超宽谱段无透镜偏振光谱系统，该系统具有超轻、超薄、高便携性等特点，通过单一元件就可同时实现强聚焦、大色散、变光谱分辨率、偏振特性于一体，减少分级多个组件，极大缩小体积、降低成本。
5.本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
6.一种超宽谱段无透镜偏振光谱系统，所述系统包括基底和分布于基底上的微结构，其中：
7.所述微结构的形状为非对称矩形，每个微结构在所述基底上呈一定的旋转角；
8.远处的平面波光源经所述基底透过后，再经所述微结构的不同占空比及旋转角度变化进行电磁波调控，利用电磁波调控实现所述光谱系统参数的控制，包括光谱范围、光谱分辨率、空间分辨率和偏振特性的控制；
9.根据焦距值及目标的位相函数计算基底不同位置坐标所需位相值，根据所述位相值匹配得到相应位置坐标上微结构的参数，从而获得全模结构阵列；
10.其中，通过扫描微结构的高度、长度、宽度参数，建立不同参数与光能透过率及覆盖位相的关系，优化全模结构的周期、焦距参数，实现聚焦及色散的多样性，满足多种探测需求。
11.由上述本发明提供的技术方案可以看出，上述系统具有超轻、超薄、高便携性等特点，通过单一元件就可同时实现强聚焦、大色散、变光谱分辨率、偏振特性于一体，减少分级多个组件，极大缩小体积、降低成本。
附图说明
12.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
13.图1为本发明实施例提供的超宽谱段无透镜偏振光谱系统的结构示意图；
14.图2为本发明实施例所述基底1上不同位置与位相的映射关系曲线示意图；
15.图3为本发明实施例单个结构的示意图；
16.图4为本发明实施例所述系统的工作原理示意图；
17.图5为本发明实施例在波长650nm下的半高宽能量曲线示意图；
18.图6为本发明实施例在波长950nm下的能量曲线示意图；
19.图7为本发明实施例在波长1250nm下的能量曲线示意图。
具体实施方式
20.下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，这并不构成对本发明的限制。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
21.如图1所示为本发明实施例提供的超宽谱段无透镜偏振光谱系统的结构示意图，所述系统包括基底1和分布于基底1上的微结构2，其中：
22.所述微结构2的形状为非对称矩形，每个微结构2在所述基底1上呈一定的旋转角；远处的平面波光源经所述基底1透过后，再经所述微结构2的不同占空比及旋转角度变化进行电磁波调控，利用电磁波调控实现所述光谱系统参数的控制，包括光谱范围、光谱分辨率、空间分辨率和偏振特性的控制；
23.根据焦距值及目标的位相函数计算基底1不同位置坐标所需位相值，根据所述位相值匹配得到相应位置坐标上微结构2的参数，从而获得全模结构阵列；
24.具体实现中，为了突破微结构2对波长的敏感性，满足多个波长入射光的调制要求，采用全新的位相函数组合设计去突破传统位相函数存在的单波长束缚瓶颈，本实施例根据系统焦距、焦点位置、视场角等参数构建目标的位相函数如公式(1)所示:
[0025][0026]
式中，xf＝sinα*f,zf＝cosα*f,α为空间离轴角，即出射光线的中心线与全模结构中心轴线的夹角；x为全模结构原点坐标，f为系统焦距；
[0027]
然后根据目标的位相函数及系统焦距f，对全模结构的不同位置以一定采样间隔进行位相计算,将不同位置的位相结果进行0～2pi归一化，获得目标位相与全模结构位置
的对应曲线，如图2所示为本发明实施例所述基底1上不同位置与位相的映射关系曲线示意图，图2中横轴为基底的位置坐标，纵轴为不同位置对应的位相值，这样就可以根据位相值匹配得到相应位置坐标上微结构的参数，从而获得全模结构阵列。
[0028]
具体来说：可以通过计算焦距、空间聚焦位置、空间角度等不同的参数，建立微结构单元模型，设置xyz方向的边界条件，平面波光源0度入射，网格精度等级设置为2级，将微结构的高度、长度、宽度参数设置为变量，并对其进行参数扫描优化，通过扫描微结构参数来观察在不同参数下的位相及透过率变化，获得可覆盖0～2pi位相的微结构参数范围，并建立位相与结构参数的函数关系，从而可根据方程(1)获得不同位置处的微结构参数，进行全模结构阵列排布。
[0029]
另外，根据不同需求选择不同性能的基底1和微结构2的形式，包括微结构不同的形状、尺寸、周期参数，因此几乎不受材料的限制。举例来说，如图3所示为本发明实施例单个结构的示意图，下面的部分为基底1，材料可采用二氧化硅；位于基底1上的部分为微结构2，材料采用二氧化钛，微结构2的转角为θ。
[0030]
具体实现中，通过扫描微结构2的高度、长度、宽度参数，建立不同参数与光能透过率及覆盖位相的关系，优化全模结构的周期、焦距参数，实现聚焦及色散的多样性，满足多种探测需求。
[0031]
基于所述系统的结构：光谱范围为：500nm～1400nm；光谱分辨率为：0.5nm～2nm；焦距为：5mm～9mm；空间分辨率为：≤15um。
[0032]
由于微结构2为非对称矩形，可识别目标的偏振特性，计算优化得到的位相轮廓可聚焦一个偏振方向而散焦另一个方向，如图4所示为本发明实施例所述系统的工作原理示意图，当空间离轴角α1＝80度时，波段范围1100nm～1400nm，焦距5mm，光谱分辨率为0.5nm；空间离轴角α2＝50度，波段范围800nm～1100nm，焦距7mm,光谱分辨率为1.2nm；空间离轴角α3＝25度，波段范围500nm～800nm，焦距9mm,光谱分辨率为2nm。
[0033]
基于上述结构，通过单个元件就可以替代传统获取光谱和偏振信息所需的偏振片、波带片、成像系统、分光系统所需的多个组件。其中，通过计算不同离轴角及理论焦点位置，实现光谱分辨率的可变性及独立性；通过优化非对称矩形结构来获得目标的偏振特性；通过建立色散宽度与离轴角和焦距的数值关系，实现大色散宽度和宽谱段范围成像。
[0034]
下面对上述超宽谱段无透镜偏振光谱系统的性能进行仿真评估，本实施运用电磁仿真软件与matlab软件对所述系统进行电场和磁场等信息提取，对焦面光强分布进行半高全宽(fwhm)分析和衍射结果分析，评估所述系统对不同波长入射的成像质量，观察聚焦和色散效果。
[0035]
为了更进一步了分析聚焦分辨率结果，对同一焦面的聚焦和色散光斑进行了强度仿真，通过不同焦距典型中心波长的远场聚焦情况可知：不同离轴角下的中心波长有效聚焦于一个弥散斑内。
[0036]
同时还进行了半高全宽分析，如图5所示为本发明实施例在波长650nm下的半高宽能量曲线示意图，如图6所示为波长950nm下的能量曲线示意图，如图7所示为波长1250nm下的能量曲线示意图，从图5、6和7可知：三个不同波长的半高宽均小于15微米，满足系统要求。
[0037]
值得注意的是，本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公
知的现有技术。例如改变微结构的形状、偏转角参数、波段范围、焦距数值、焦点位置以及所使用的材料等，这些更改和变化不脱离本发明的保护范围。
[0038]
综上所述，本发明实施例所述系统具有如下优点：
[0039]
1、本系统仅由一块基底材料、单个元件制作而成，无需传统系统所需的准直、聚焦、色散、偏振等其他光学组件，可同时达到对不同波长入射光的色散及聚焦，实现超轻、超薄集成一体化设计，解决传统光谱系统存在的尺寸重量与光学性能的矛盾；
[0040]
2、单次成像可实现全视场、全谱段的探测，具备凝视成像的能力，有效避免传统的系统连续扫描引入系统噪声和图像拼接误差，实现了数据的压缩，减少了数据存储和传输的压力，为光谱仪的低成本、简单化提供潜力；
[0041]
3、本系统中的微结构具有可复制、公差宽松的优点，并且可以使用模板批量生产，避免了传统镜片抛光、精磨、对心等生产加工工艺；且无需传统系统多个元件的同轴及离轴复杂装调与检测技术，大大降低生产成本，提高生产速度，从而降低了组建平台的成本。
[0042]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明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发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。本文背景技术部分公开的信息仅仅旨在加深对本发明的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。