一种基于超构透镜的光谱偏振成像器件及实现方法

本发明涉及一种基于超构透镜的光谱偏振成像器件及实现方法，属于光学成像。

背景技术：

1、传统光学成像只能对二维的光强信息进行探测，而光场具有光谱偏振相位等多维度信息。传统高维成像设备多数需要额外的光学元件辅助获取高维信息，导致系统尺寸难以缩小，重量和功耗大等缺陷。随着新型光学元件和微纳加工工艺的发展，光学器件的各类器件都向着微型化、集成化、多功能、高性能的方向发展。超构表面是一种新型的基于广义斯涅耳定律的平面光学调控元件，通过对散射体的形状、大小、位置和方向进行调整，可以实现任意调控电磁波参量，包括光的相位、振幅﹑偏振和频率。超构表面用于成像，能实现多种高维信息同时成像的轻薄化、平面化且多功能集成的新型成像系统，具有广阔的应用前景。目前大多数偏振复用的超构透镜只能实现在单波长或者离散波长下进行光谱成像或者偏振成像，难以用于真实场景自然光成像，因此急需研制在可见光波段下对不同偏振态下实现进行光谱和偏振成像的超构透镜，拓宽其应用。

技术实现思路

1、本发明提供一种基于超构透镜的光谱偏振成像器件及实现方法。

2、本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：

3、一种基于超构透镜的光谱偏振成像器件，包括第一层透明介质衬底，设置在第一层透明介质衬底上的电介质纳米结构单元，以及与电介质纳米结构单元间隔设置的成像探测器，所述电介质纳米结构单元包括多种形状非对称的结构，所诉多种形状非对称结构可是矩形、双矩形、十字形等，所述成像探测器包括第一种偏振态光线聚焦区域，与第一种偏振态光线聚焦区域相互正交的第二种偏振态光线聚焦区域，所述的两种聚焦区域是在所述成像探测器上均等划分得到的方形区域，通过所述的每个聚焦区域上探测到的光强信息与光谱和偏振信息具有强相关性，用每个聚焦区域的光强值来计算光谱和偏振信息实现光谱偏振成像。

4、优选为，所述电介质纳米结构单元包括矩形纳米结构单元、十字型纳米结构单元和双矩形纳米结构单元。

5、优选为，所述第一层透明介质衬底采用氧化铟锡导电玻璃、石英衬底、氧化硅衬底、硅衬底或金刚石衬底。

6、优选为，所述电介质纳米结构单元的材料包括tio2、hfo2、zro2、gan、si2n3、si、gaas、zns或aln。

7、优选为，所述电介质纳米结构单元可以选择矩形纳米结构单元、双矩形纳米天线、不对称十字形纳米结构单元或工字形纳米结构单元以及其他各向异性纳米结构单元。

8、优选为，所述电介质纳米结构单元的高度范围为200nm-1500nm，

9、优选为，所述电介质纳米结构单元在第一层透明介质衬底表面的尺寸为20nm-1000nm，电介质纳米结构单元在第一层透明介质衬底表面任意设置。

10、基于超构透镜的光谱偏振成像器件的实现方法，包括以下步骤：

11、s1:通过数值仿真软件对各向异性的非对称纳米单元进行结构参数扫描构建多种各向异性纳米单元结构的多偏振多波长相位响应数据库；

12、s2:在s1构建的多偏振多波长相位响应数据库中搜索与在目标偏振态下的色散离轴聚焦透镜相位分布之间匹配误差最小的单元结构，利用pso以最小相位匹配误差为优化目标对色散离轴聚焦透镜相位分布公式的rλ系数进行优化；

13、s3:更换目标偏振态重复s2过程分别生成对x、y和45°、lcp偏振敏感的两套色散离轴透镜相位分布公式；

14、s4:通过空间阵列或随机交错方式对s3获得的两套色散离轴透镜相位分布色散离轴透镜相位分布进行组合并在每个空间位置上匹配各向异性的单元构建对x、y和45°、lcp偏振依赖的色散超构透镜器件；

15、s5:入射强度相同的x、y和45°、lcp偏振光，s4得到的偏振依赖的色散超构透镜器件将入射光的光谱和偏振信息进行分光聚焦，在探测器上获得了与光谱和偏振相关的多幅图；

16、s6:分别每个偏振态的色散图像进行重构得到清晰的光谱图像，再根据光谱图像的叠加得到全光谱图像的光强重构出偏振图像。

17、与现有技术相比，本发明基于超构透镜的光谱偏振成像器件及实现方法的优点及效果：

18、1.本发明通过结构相位匹配合理的设计了超构透镜的相位分布，实现偏振依赖的色散超构透镜，能在不同偏振光入射下进行分别色散聚焦，实现光谱和偏振成像。

19、2.本发明的偏振依赖超构透镜不需要额外的光学元件，解决传统成像设备难以获得高维信息的问题，在不增大系统体积和重量的情况下，同时对高维信息进行采集。

20、3.本发明超构透镜可在可见光宽带范围内使用，通过选择不同的材料和结构，可在更宽波段下使用，并且可以在紫外波段和红外波段等其他波段使用。

21、4.本发明超构透镜超轻薄易集成的优势，可与传感器器件等进行集成，实现超紧凑的光谱偏振成像器件。

技术特征：

1.一种基于超构透镜的光谱偏振成像器件，其特征在于，包括第一层透明介质衬底(1)，设置在第一层透明介质衬底(1)上的电介质纳米结构单元(2)，以及与电介质纳米结构单元(2)间隔设置的成像探测器(3)，所述电介质纳米结构单元(2)包括多种形状非对称的结构，所述成像探测器(3)包括第一种偏振态光线聚焦区域(301)，与第一种偏振态光线聚焦区域(301)相互正交的第二种偏振态光线聚焦区域(302)。

2.根据权利要求1所述的基于超构透镜的光谱偏振成像器件，其特征在于，所述电介质纳米结构单元(2)包括矩形纳米结构单元(201)、十字型纳米结构单元(202)和双矩形纳米结构单元(203)。

3.根据权利要求1所述的基于超构透镜的光谱偏振成像器件，其特征在于，所述第一层透明介质衬底(1)采用氧化铟锡导电玻璃、石英衬底、氧化硅衬底、硅衬底或金刚石衬底。

4.根据权利要求1所述的基于超构透镜的光谱偏振成像器件，其特征在于，所述电介质纳米结构单元(2)的材料包括tio2、hfo2、zro2、gan、si2n3、si、gaas、zns或aln。

5.根据权利要求1所述的基于超构透镜的光谱偏振成像器件，其特征在于，所述电介质纳米结构单元(2)可以选择矩形纳米结构单元、双矩形纳米天线、不对称十字形纳米结构单元或工字形纳米结构单元以及其他各向异性纳米结构单元。

6.根据权利要求1所述的基于超构透镜的光谱偏振成像器件，其特征在于，所述电介质纳米结构单元(2)的高度范围为200nm-1500nm。

7.根据权利要求1所述的基于超构透镜的光谱偏振成像器件，其特征在于，所述电介质纳米结构单元(2)在第一层透明介质衬底(1)表面的尺寸为20nm-1000nm，电介质纳米结构单元(2)在第一层透明介质衬底(1)表面任意设置。

8.根据权利要求1所述的基于超构透镜的光谱偏振成像器件的实现方法，其特征在于，包括以下步骤：

技术总结本发明公开了一种基于超构透镜的光谱偏振成像器件及实现方法，所述光谱偏振成像器件包括第一层透明介质衬底，设置在第一层透明介质衬底上的电介质纳米结构单元，以及与电介质纳米结构单元间隔设置的成像探测器，所述电介质纳米结构单元包括多种形状非对称的结构，所述成像探测器包括第一种偏振态光线聚焦区域，与第一种偏振态光线聚焦区域相互正交的第二种偏振态光线聚焦区域。本发明通过结构相位匹配合理的设计了超构透镜的相位分布，实现偏振依赖的色散超构透镜，能在不同偏振光入射下进行分别色散聚焦，实现光谱和偏振成像。技术研发人员：胡跃强,池汉彬,段辉高,贾红辉受保护的技术使用者：湖南大学技术研发日：技术公布日：2024/7/25