一种多通道光谱偏振红外量子点相机

本发明属于红外成像与微纳光子学，更具体地，涉及一种多通道光谱偏振红外量子点相机。

背景技术：

1、红外成像技术通过捕获目标物体的热辐射信号，并将其转换为可以利用处理的电信号，已在军事侦察、民用安防监控、车载夜视系统以及工业质量检测等多个领域展现出其独特的应用价值。随着技术应用的不断拓展，对红外成像技术的性能要求不断提高，需求的功能也趋向多样化，这导致红外光学系统的结构趋向复杂化。

2、然而，传统的红外透镜设计受限于元件的曲面形状和材料的光学特性，难以在简化光学系统结构的同时实现多功能集成。鉴于此，超表面技术作为微纳光子学领域的创新突破，利用其高度自由的表面设计和先进的半导体制造工艺，为简化光学系统结构的同时集成更多功能提供了可能。

3、例如，现有的传统红外光学系统在解析光的多维参量方面存在局限性，而超表面技术可以通过人为设置的微结构来精确控制光波的传播特性，能够实现对光的波前、偏振、相位等多维参量的精细操控，从而有望解决这一问题，推动红外成像技术向更高性能、更广泛应用的方向发展。

技术实现思路

1、针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种多通道光谱偏振红外量子点相机，由此实现红外量子点相机对光多维参量的解析。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种多通道光谱偏振红外量子点相机，包括透镜组、折射透镜阵列、光阑阵列、混合超表面透镜阵列、量子点红外探测器和光学镜头机械组装件。

3、所述透镜组用于对入射光进行汇聚，汇聚后的入射光经过光阑阵列后分为多通道的入射光，每个通道的入射光经过折射透镜阵列、混合超透镜阵列后变为不同谱段或具有不同偏振状态的入射光并最终以多通道入射光聚焦于量子点红外探测器的焦平面阵列上，用于对目标物体的热辐射进行分偏振、分通道、分谱段处理并且聚焦于所述量子点红外探测器的光敏面。

4、所述量子点红外探测器用于消除杂散光并进行红外探测成像；

5、所述透镜组、光阑阵列、折射透镜阵列、混合超透镜阵列置于光学镜头机械组装件中，光学镜头机械组装件用于对透镜组、光阑阵列、折射透镜阵列、混合超透镜阵列和光阑阵列进行固定和保护。

6、可选的，透镜组包括第一透镜和第二透镜，第一透镜用于保护光学系统，并且与第二透镜共同用于对入射光进行会聚。

7、可选的，第一透镜为具有正光焦度的球面折射透镜，用以承担光学系统一定的光焦度。

8、可选的，第二透镜为非球面透镜，包括：第一非球面和第二非球面；所述第一非球面和所述第二非球面的面型坐标z1、z2分别满足：

9、

10、

11、其中，r为非球面透镜曲面上任意点到所述光学成像系统光轴的距离；c1、c2分别为对应的两个球面的曲率；k1、k2分别为对应的两个球面轮廓的圆锥系数，x1、y1、m1、n1分别为第一非球面面型坐标的四次项、六次项、八次项、十次项系数，x2、y2、m2、n2分别为第二非球面面型坐标的四次项、六次项、八次项、十次项系数。

12、可选的，所述折射透镜阵列可以为非球面透镜阵列，包括：第一非球面阵列和第二非球面阵列；所述第一非球面阵列和所述第二非球面阵列分别由多个非球面组成，其中每个非球面面型坐标与上述面型坐标z1、z2相同。

13、可选的，所述光阑阵列包括多个圆形光阑孔。

14、可选的，所述混合超透镜阵列包括介质衬底层、柱状微结构阵列以及分光元件；

15、分光元件包括偏振金属线栅结构；

16、所述偏振金属线栅结构位于分光元件表面的一侧并且具有周期性的金属线栅结构，由多个长条形柱状金属微结构单元周期排列；

17、所述柱状微结构阵列位于介质衬底层的另一侧，由多个柱状微结构单元按照六方晶格或者四方晶格周期阵列排列而成；所述柱状微结构单元的高度全部相同且介于所述入射光的波长量级，所述柱状微结构单元的直径和周期介于亚波长量级；

18、所述柱状微结构单元周期阵列的相位分布满足如下表达式：

19、

20、其中，(x,y)为超表面平面坐标，为超表面径向坐标,r为归一化半径，n为相位分布的最大项数，ai、均为多项式系数，为和的幂级数多项式。

21、可选的，所述混合超透镜阵列上每个位置的柱状微结构单元的半径和高度根据六方晶格或四方晶格周期阵列的相位分布确定。

22、可选的，所述混合超透镜阵列的柱状结构单元的材料包括但不限于硅、二氧化钛；所述介质衬底层的材料包括但不限于硅、二氧化硅；所述金属线栅结构的材料包括但不限于铝、金、银。

23、可选的，所述混合超透镜阵列具有柱状微结构阵列的一侧表面镀有增透减反膜层，具有金属线栅微结构的一侧表面分区域地镀有不同谱段的窄带滤波膜系。

24、所述量子点红外探测器包括探测器窗口片、滤波片和红外光敏面，用于消除杂散光并进行红外探测成像。

25、所述透镜组、光阑阵列、折射透镜阵列、混合超透镜阵列置于所述光学镜头机械组装件中，所述光学镜头机械组装件采用螺纹和凹槽结构对光学透镜和光阑阵列进行固定和保护，并便于与量子点红外探测器的装配。

26、可选的，所述混合超透镜阵列采用键合工艺，将具有金属线栅结构的分光元件和具有柱状微结构阵列的介质衬底层相结合，使多种功能集成在同一片混合超透镜阵列上，又可以增加超表面透镜厚度，降低直径-厚度比例，从而提高超表面透镜能够承受的机械应力。

27、通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，本发明提出的一种多通道光谱偏振红外量子点相机，通过使用先进半导体工艺，将具有金属线栅结构的介质衬底层和具有柱状微结构阵列的介质衬底层相结合，使多种功能集成在同一片混合超透镜阵列上，并与折射透镜组合构成光学系统，对入射光进行分光阑、分偏振、分波段处理，使入射光分为多通道汇入量子点红外探测器，实现了对入射光多维参量的解析；光学镜头机械组装件采用螺纹和凹槽结构对光学透镜和光阑阵列镜进行固定和保护，并便于与量子点红外探测器的装配。

技术特征：

1.一种多通道光谱偏振红外量子点相机，其特征在于，包括透镜组(0)、光阑阵列(3)、折射透镜阵列(4)、混合超透镜阵列(5)、量子点红外探测器(6)以及光学镜头机械组装件(7)；

2.根据权利要求1所述的一种多通道光谱偏振红外量子点相机，其特征在于，所述透镜组(0)包括第一透镜(1)和第二透镜(2)，所述第一透镜(1)用于保护光学系统，并且与所述第二透镜(2)共同用于对入射光进行会聚。

3.根据权利要求2所述的一种多通道光谱偏振红外量子点相机，其特征在于，所述第一透镜(1)为具有正光焦度的球面折射透镜，所述第二透镜(2)为非球面透镜。

4.根据权利要求2所述的一种多通道光谱偏振红外量子点相机，其特征在于，所述折射透镜阵列(4)包括第一非球面阵列和第二非球面阵列；分别位于折射透镜阵列(4)的前后两个表面，由多个非球面组成。

5.根据权利要求1所述的一种多通道光谱偏振红外量子点相机，其特征在于，所述混合超透镜阵列(5)包括介质衬底层、位于介质衬底层一侧的柱状微结构阵列以及位于介质衬底层另一侧的分光元件；

6.根据权利要求1所述的一种多通道光谱偏振红外量子点相机，其特征在于，所述混合超透镜阵列(5)通过以下方法设计：

7.根据权利要求1所述的一种多通道光谱偏振红外量子点相机，其特征在于，所述混合超透镜阵列(5)的柱状结构单元的材料为硅或二氧化钛；所述介质衬底层的材料为硅或二氧化硅；所述金属线栅结构的材料为铝、金或银。

8.根据权利要求1所述的一种多通道光谱偏振红外量子点相机，其特征在于，所述混合超透镜阵列(5)具有柱状微结构阵列的一侧表面镀有增透减反膜层，具有金属线栅微结构的一侧表面分区域地镀有不同谱段的窄带滤波膜系。

9.根据权利要求1所述的一种多通道光谱偏振红外量子点相机，其特征在于，所述量子点红外探测器(6)包括沿光轴方向依次设置的探测器窗口片、滤光片、光阑和红外光敏面，所述探测器窗口片、滤光片和光阑用于消除杂散光及非目标波段的入射光；所述红外光敏面用于对聚焦后的光线进行探测成像。

10.根据权利要求1所述的一种红外折超混合量子点相机，其特征在于，所述光学镜头机械组装件(7)包括镜筒主体和镜筒外壁，镜筒主体内置的凹槽结构处具有橡胶材料用以对光学系统进行减震保护，镜筒外壁具有隔热材料涂层。

技术总结本发明公开了一种多通道光谱偏振红外量子点相机，属于红外成像与微纳光子学技术领域，包括沿光轴依次设置的透镜组、光阑阵列、折射透镜阵列、混合超透镜阵列、量子点红外探测器以及光学镜头机械组装件；透镜组、光阑阵列、折射透镜阵列、混合超透镜阵列组成光学系统共同作用将入射光成像至量子点红外探测器；折射透镜阵列、光阑阵列和混合超透镜阵列对汇聚光进行分光阑、分偏振、分波段处理，使入射光分为多通道汇入量子点红外探测器；量子点红外探测器可以有效对入射光进行探测识别。本发明采用折射透镜阵列与超透镜阵列相结合的形式，实现了对入射光多维参量的解析。技术研发人员：易飞,刘斯坦,林永超,陈岩,何炀,李林翰受保护的技术使用者：华中科技大学技术研发日：技术公布日：2024/8/1