CN113359221B - 基于介质偶极子的入射角度不敏感的光谱滤光片及应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于介质偶极子的入射角度不敏感的光谱滤光片及应用，该光谱滤光片在可见光波段工作，采用双抛的硫化锌做衬底；衬底上设有基于偶极子原理设计的纳米结构，纳米结构由若干阵列式排布的纳米结构单元构成，纳米结构单元为正多边形棱柱体或圆柱体，相邻纳米结构单元的距离相同，在20至80纳米之间，所有纳米结构单元的厚度相同，在200至600纳米之间，纳米结构的材料为任何在可见光范围内具有高折射率和高透射率的介质；光谱滤光片的最大透射率可达100％，且对半角15度以内的入射光不敏感，光谱透射曲线在多个线偏振角度的入射光下保持不变。

Description

基于介质偶极子的入射角度不敏感的光谱滤光片及应用
技术领域
本发明属于成像设备、光学器件领域，涉及一种基于介质偶极子的入射角度不敏感的光谱滤光片及应用。
背景技术
滤光片作为一种光学器件，可以是特定波长或带有其它光学特性的光波通过，被广泛应用到各类成像设备(如照相机、显示器)、各种光电传感器(如信号分离器)、太阳能电池、彩色全息显示器、增强现实显示器等领域中。目前大多数滤光片是通过染色或镀膜技术进行制作的，其优点是尺寸可以做的很大，缺点是受限于材料。比如染色所用的染料或薄膜所用的靶材均需是在自然界可找到的。而且使用该技术制作可集成于图像传感器的滤光片阵列，需要用到N次套刻技术，N＝滤光片的数量，工艺十分复杂，生产成本高。如果在制作某一个滤光片过程中出现问题，就导致整个滤光片阵列的报废。基于介质偶极子的滤光片，由于其特征尺寸远远小于设计波长，因此可用于对光波偏振、相位、振幅等特性的测量，因此在光学器件的研究设计中具有重要意义。现有的采用超表面结构设计制作的滤光片，都有一个共同的缺点，其光学特性对不同入射角度的光线十分敏感。且目前已发明的可用于测量物体或光源的光谱滤光片只可在半角5度以内的入射光下工作，因此需要用到f-number较大的光学镜头限制入射角度，其应用场景受到限制。
发明内容
针对上述问题，本发明提出一种基于介质偶极子的入射角度不敏感的光谱滤光片及应用。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
根据本说明书的第一方面，提供一种基于介质偶极子的入射角度不敏感的光谱滤光片，所述光谱滤光片在可见光波段工作，采用双抛的硫化锌做衬底；所述衬底上设有纳米结构，所述纳米结构由若干阵列式排布的纳米结构单元构成，所述纳米结构单元为正多边形棱柱体或圆柱体，相邻纳米结构单元的距离相同，在20至80纳米之间，所有纳米结构单元的厚度相同，在200至600纳米之间，所述纳米结构的材料为任何在可见光范围内具有高折射率和高透射率的介质；
当入射光照射到具有厚度约束的纳米结构单元时，产生偶极子效应，在相邻纳米结构单元的距离约束下，会产生偶极子耦合效应，从而产生具有多个波峰波谷且对比度高(通常最高对比度不低于60％)的光谱透射曲线，由于介质材料具有高透射率，当不同角度的入射光照射到介质时，产生较小反射，光谱透射曲线对入射角度不敏感。
进一步地，所述纳米结构的材料选自氧化钛、硫化锌，要求折射率在可见光波段大于2.3，透射率在可见光波段大于70％。
进一步地，所述衬底的材料选自氧化钛、硫化锌、铌酸锂，要求折射率在可见光波段大于2.3，透射率在可见光波段大于70％。
进一步地，所述纳米结构表面设有保护层，所述保护层的材料为任何在可见光范围内具有低折射率和高透射率的介质，选自空气、氧化铝、氧化镁、氧化硅、氮化硅、碳化硅、氟化镁、氟化钙、氟化钡等，要求折射率低于纳米结构的折射率，透射率在可见光波段大于70％。
进一步地，通过改变衬底、纳米结构和保护层的材料，所述光谱滤光片的工作波段可扩展至近红外及远红外。
进一步地，所述光谱滤光片的最高透射率可达100％，且对半角15度以内的入射光不敏感，即最高透射率和波峰波谷对比度降幅小于10％，光谱透射曲线在多个线偏振角度的入射光下保持不变，所述多个线偏振角度包括：0度、60度、120度、180度、240度、300度。
根据本说明书的第二方面，提供一种光谱成像***，包括多种上述基于介质偶极子的入射角度不敏感的光谱滤光片，每种光谱滤光片通过改变相邻纳米结构单元中心点之间的距离，设定其光谱透射曲线；通过多种光谱滤光片测量物体或光源的光谱曲线。
相对于现有技术，本发明具有以下有益的技术效果：
1.制作过程无需微纳套刻技术，成本低；
2.其光谱透射曲线对半角15度以内的入射光不敏感，适用于任何f-number大于2的光学镜头；
3.其光谱透射曲线在多个线偏振角度的入射光下保持不变，多个线偏振角度包括：0度、60度、120度、180度、240度、300度；
4.可用于测量物体或光源的光谱曲线，且在半角15度以内的入射光下通过使用本发明的光谱滤光片恢复的光谱曲线与原物体或光源的光谱曲线的均方误差小于0.0000026088。
附图说明
图1为以纳米结构单元采用正六边形棱柱体为例的基于介质偶极子的入射角度不敏感的光谱滤光片立体图；
图2为图1光谱滤光片的俯视图；
图3为图1光谱滤光片在0度、5度、10度、15度入射角下的光谱透射曲线；
图4为在0度、5度、10度、15度入射光下，使用本发明的光谱滤光片恢复的光谱曲线。
具体实施方式
为了更好的理解本申请的技术方案，下面结合附图对本申请实施例进行详细描述。
应当明确，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请保护的范围。
在本申请实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。
本发明实施例提供一种基于介质偶极子的入射角度不敏感的光谱滤光片，该光谱滤光片在可见光波段(400-700纳米)工作，采用双抛的硫化锌做衬底；衬底上设有纳米结构。纳米结构由若干阵列式排布的纳米结构单元构成，纳米结构单元为正多边形棱柱体或圆柱体，相邻纳米结构单元的距离相同，在20至80纳米之间，所有纳米结构单元的厚度相同，在200至600纳米之间；纳米结构的材料为任何在可见光范围内具有高折射率和高透射率的介质，几乎透明，因此相比金属材料，当入射光带有一定角度时，在相邻纳米结构单元之间产生的影响更小；使用高透射率的材料产生光谱透射曲线具有一定条件，即使用偶极子的原理：当纳米结构单元的大小满足一定条件时，自身会产生电场、磁场偶极子，在纳米结构单元之间便会产生耦合。
以图1、2所示的采用正六边形棱柱体作为纳米结构单元的光谱滤光片为例，详述制备流程：
首先，根据工作波长选择折射率在可见光波段大于2.3，透射率在可见光波段大于70％的常见衬底，例如：氧化钛、硫化锌、铌酸锂。
然后，在衬底上方设有基于偶极子原理设计的纳米结构，纳米结构由若干阵列式排布的纳米结构单元构成，纳米结构单元采用正六棱柱体结构，正六棱柱体的材料选自氧化钛、硫化锌，要求折射率在可见光波段大于2.3，透射率在可见光波段大于70％。纳米结构单元的结构除了正六棱柱体，还可以为圆柱体、正五棱柱体等正多边形棱柱体。
其次，关于尺寸大小，相邻正六棱柱体之间的间隔在20至80纳米之间，所有正六棱柱体的厚度相同，在200至600纳米之间。
最后，在纳米结构表面镀上保护层，保护层的材料为任何在可见光范围内具有低折射率和高透射率的介质，选自空气、氧化铝、氧化镁、氧化硅、氮化硅、碳化硅、氟化镁、氟化钙、氟化钡等，要求折射率低于纳米结构的折射率，透射率在可见光波段大于70％。
将本发明的光谱滤光片和普通黑白图像传感器进行集成，可测量计算物体及光源的光谱曲线。
图3为图1光谱滤光片在0度、5度、10度、15度入射角下的光谱透射曲线，其中0度光谱透射曲线的最大透射率比15度的最大透射率高10％，透射率对比度(最大透射率-最小透射率)降低10％以内，说明本发明光谱滤光片对半角15度以内的入射光不敏感。
图4为在0度、5度、10度、15度入射光下，使用本发明的光谱滤光片恢复的光谱曲线，可见，与原物体或光源的光谱曲线的均方误差小于0.0000026088。
以上所述仅为本说明书一个或多个实施例的较佳实施例而已，并不用以限制本说明书一个或多个实施例，凡在本说明书一个或多个实施例的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本说明书一个或多个实施例保护的范围内。

Claims (6)

1.一种光谱成像***，其特征在于，包括多种基于介质偶极子的入射角度不敏感的光谱滤光片；
所述光谱滤光片在可见光波段工作，采用双抛的硫化锌做衬底；所述衬底上设有纳米结构，所述纳米结构由若干阵列式排布的纳米结构单元构成，所述纳米结构单元为正多边形棱柱体或圆柱体，相邻纳米结构单元的距离相同，在20至80纳米之间，所有纳米结构单元的厚度相同，在200至600纳米之间，所述纳米结构的材料为任何在可见光范围内具有高折射率和高透射率的介质；
当入射光照射到具有厚度约束的纳米结构单元时，产生偶极子效应，在相邻纳米结构单元的距离约束下，会产生偶极子耦合效应，从而产生具有多个波峰波谷且对比度高的光谱透射曲线，由于介质材料具有高透射率，当不同角度的入射光照射到介质时，产生较小反射，光谱透射曲线对入射角度不敏感；
每种所述光谱滤光片通过改变相邻纳米结构单元中心点之间的距离，设定其光谱透射曲线；通过多种光谱滤光片测量物体或光源的光谱曲线。
2.根据权利要求1所述的光谱成像***，其特征在于，所述纳米结构的材料选自氧化钛、硫化锌，要求折射率在可见光波段大于2.3，透射率在可见光波段大于70％。
3.根据权利要求1所述的光谱成像***，其特征在于，所述衬底的材料选自氧化钛、硫化锌、铌酸锂，要求折射率在可见光波段大于2.3，透射率在可见光波段大于70％。
4.根据权利要求1所述的光谱成像***，其特征在于，所述纳米结构表面设有保护层，所述保护层的材料为任何在可见光范围内具有低折射率和高透射率的介质，选自空气、氧化铝、氧化镁、氧化硅、氮化硅、碳化硅、氟化镁、氟化钙、氟化钡等，要求折射率低于纳米结构的折射率，透射率在可见光波段大于70％。
5.根据权利要求1所述的光谱成像***，其特征在于，通过改变衬底、纳米结构和保护层的材料，所述光谱滤光片的工作波段可扩展至近红外及远红外。
6.根据权利要求1所述的光谱成像***，其特征在于，所述光谱滤光片的最高透射率可达100％，且对半角15度以内的入射光不敏感，即最高透射率和波峰波谷对比度降幅小于10％，光谱透射曲线在多个线偏振角度的入射光下保持不变，所述多个线偏振角度包括：0度、60度、120度、180度、240度、300度。
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