轻量化红外成像制导镜头设计与仿真*

仇宫润，王 琨，赵 峰,2

(1.61618部队·北京·100094；2.航天工程大学 航天信息学院·北京·101416)

0 引 言

红外成像制导技术广泛应用在导弹、无人机等军民领域，具有隐蔽性好、全天候工作、穿云透雾、制导精度高等特点。由于当前红外成像制导系统结构复杂、成本较高，在低成本、小口径的反坦克导弹、直升机或无人机载空空导弹等武器上应用存在限制，亟需轻量化、紧凑型、低成本的红外制导系统。

超透镜作为一种新型平面光学衍射器件，具有质量小、易集成、兼容CMOS制造工艺、可大批量低成本制造等优势，成为近年来的研究热点。哈佛大学的Capasso教授课题组设计实现了可见光波段的衍射极限亚波长分辨率超透镜，工作波长分别为405nm、532nm、660nm,聚集效率分别为86%、73%、66%；Capasso课题组还设计了可见光波段的宽带消色散、偏振成像等超透镜。加州理工学院的Faraon教授课题组设计实现了微米厚度的高对比度透射型超透镜，焦斑大小0.57

λ

(

λ

为工作波长)，聚焦效率82%。南京大学的徐挺教授课题组设计实现了长波红外波段平面超透镜，工作波长10.6μm, 数值孔径(Numerical Aperture，NA)为0.6，口径12mm，聚焦效率35%。华中科技大学的张诚教授团队设计实现了低损耗的紫外光超透镜，工作波长365nm,口径500μm,NA为0.6，聚集效率57%。航天工程大学的陈向宁教授团队设计仿真了正交圆偏振光同时聚焦的超透镜，工作波长800nm，NA为0.45，聚焦效率56.2%。

基于超透镜的集成轻量化优势，本文针对红外成像制导系统中光学镜头的轻量化、平面化问题，设计了基于传播相位的透射型中波红外波段超透镜，使用时域有限差分(Finite Difference Time Domain，FDTD)软件进行了仿真验证。

1 中波红外波段超透镜原理

1.1 红外成像制导系统

红外制导系统是各类飞行器的眼睛，提供制导信息。红外制导系统包括：成像制导和非成像制导，其中成像制导性能优于非成像制导。红外成像制导系统主要由成像系统、信号处理系统、跟踪伺服系统组成，其中成像系统负责信息获取，是红外成像制导的核心部件，决定了制导系统的探测距离和制导精度等性能。红外成像系统分为凝视成像与扫描成像系统，凝视成像不需要光机扫描装置，整个系统结构简单、体积小、能耗低、质量小，而且可以通过增大曝光时间提高信噪比，具有高的空间分辨率和灵敏度，适用范围广。

凝视红外成像系统由光学镜头、探测器、处理电路等部分组成。工作方式为光学镜头收集目标光学信号传递给光电探测器，通过探测器转换为电信号供后续电路处理。光学镜头是光信号的收集部件，为了提高空间分辨率和灵敏度通常需要较大口径，难以与探测器和后端电路集成。传统光学元件的曲率、厚度、间隔如果发生变化，则会严重影响成像性能，要求精度高。

当今武器的发展对红外制导系统提出了越来越多的要求。针对反坦克导弹和直升机载空空导弹等大批量武器，亟需经济集成的红外成像制导系统。军用红外光学或空间光学系统的典型工作温度为-40℃～+60℃，需要热稳定性好的光学成像系统，以避免光学材料与结构材料因热形变造成光学元件的形状、折射率发生改变，进而失焦导致成像性能下降。小型化、低成本、适应性广是红外成像制导系统的发展方向。

1.2 超透镜

近年来，超透镜得到了迅猛发展，超透镜是由二维超材料构成的平面光学器件，具有质量小、平面化、易集成、兼容CMOS制造工艺等优点，可利用光刻工艺大批量制造从而降低成本，已经成为当前的研究热点。

超透镜的相位调控原理主要包括传输相位、几何相位、电路相位和多种融合的调控原理。传播相位和几何相位型超透镜主要为基于介质材料的单层周期性结构，结构简单、稳定性好；电路型超透镜通过加电的方式调控相位，加工复杂、透射率较低；几何相位只针对偏振光有效，传输相位可以制作偏振不敏感超透镜。介质波前调控可以用式(1)表示

(1)

其中，

φ

为相位差；

λ

为工作波长；

n

为等效折射率；

d

为材料厚度；表示为波长

λ

的电磁波在折射率为

n

的介质材料中传播一定距离

d

之后的累计相位为

φ

。传统透镜通过调节中心和边缘厚度调控波前。介质传输型超透镜的调控原理可以使用等效折射率理论进行解释：采用两种或多种折射率差距较大的介质组成光栅，通过调节光栅内占比来实现折射率变化，进而实现相位调制。如果光栅周期为亚波长尺度，即可将光集中于0级衍射。该相位调节方法具有精度高、器件加工兼容CMOS工艺等优势，可以实现超薄平面内波前的任意调控，进而实现超薄型光学器件。

基于介质的超透镜根据设计波段采用不同的材料，光栅材料主要包括二氧化铪、二氧化钛、硅、氮化镓等，衬底材料主要使用二氧化硅、氟化钡等。超透镜制备技术主要包括光刻、电子束曝光、聚焦离子束刻蚀、激光直写、纳米压印等方式，其中硅材料兼容CMOS工艺，可利用光刻或纳米压印工艺大批量低成本制造。

2 超透镜设计与仿真

2.1 设计步骤

超透镜设计通常分为三步：

第一步：根据工作波长确定纳米柱材料和衬底材料。

根据设计波长，选择禁带宽度大于波长能量的材料，避免能量损失，同理选择对设计波段透明的衬底材料。

第二步：单元结构仿真。

根据经验选择纳米柱高度和周期，在加工工艺允许的范围内扫描纳米柱尺寸变化时的光学响应，主要为透射率和相位分布。根据透射率和0～2π相位变化确定纳米柱周期、高度和尺寸变化范围。

第三步：超透镜仿真。

根据设计的超透镜相位分布，利用纳米柱相位分布拟合插值目标相位，进而得到超透镜纳米柱尺寸分布。利用FDTD软件对超透镜进行仿真以验证设计结果。评价标准主要包括聚焦效率、焦斑大小和焦距。

本文设计的超透镜相位可由式(2)求出

(2)

其中，

φ

(

x

，

y

)为超透镜上任意点相位值；

λ

为波长；

f

为透镜的焦距；(

x

，

y

)为超透镜上任意点的坐标。基于装甲车喷口350℃～400℃高温的红外辐射波长为3～5μm，本文超透镜设计波长为3μm,数值孔径为0.45。

2.2 单元结构仿真

利用经验法和尝试法，基于亚波长光栅性质在FDTD软件中构建如图1所示单元结构。

图1 单元结构仿真模型Fig.1 Unit structure simulation model

如图1所示，尝试参数为周期1.5μm，高度2.2μm，半径100～700nm。即仿真区域为1.5μm宽的正方形，光源波长为3μm，纳米柱为硅材料，折射率采用FDTD软件自带属性，衬底材料为氟化钡，折射率为1.46。仿真区域边界条件为周期性和完美吸收层两种。采用中心对称的圆柱结构，可以实现对偏振光不敏感。利用监视器记录随高度、半径、周期变化时的电场相位和透射率。通过仿真可知，以上条件可以实现0～2π的相位变化且透射率较高。为了寻找最优基元，在确定周期之后，变换高度和半径。记录相位和透射率变化如图2所示，为周期在1.5μm，高度为1.7～2.7μm，纳米柱半径为200～500nm范围内的扫描结果。从相位图中可以看出，不同高度的柱子均能实现0～2π相位变化，但是在柱子高度较大时，相位变化较快，不利于提高尺寸容差；结合透射率图，在半径300～400nm范围内存在一个纺锤形的透射率谷(浅红色区域)，为了避免透射率谷影响，同时满足0～2π相位分布，本文选择高度为2μm，衬底材料厚度可以任意设置，通常为0.5mm。

(a)相位

在高度为2μm，半径为200～500nm的相位和透射率分布如图3所示。

图3 透射率相位扫描结果Fig.3 Transmissivity and phase scan results

如图3所示，在半径200～500nm变化时，可以实现0～2π的相位变化，且透射率均值为0.948，标准差为0.05。

2.3 超透镜仿真

由于FDTD软件和计算机硬件性能限制，本文设计的超透镜直径为40μm，焦距40μm，NA为0.45。利用线性插值法构建超透镜具体结构如图4所示。

图4 超透镜仿真结构图Fig.4 Metalens simulation structure diagram

仿真区域为整个透镜区域，添加了完美电导层，限制光源形状为透镜区域。

x

，

y

边界条件设置为对称型，加快了仿真速度，节省了仿真时间。通过平面监视器记录近场信息，利用远场函数计算聚焦效果。聚焦示意图如图5所示。图5(a)为

z

平面聚焦效果；图5(b)为沿

z

轴光强，最强点为焦点，焦距为38μm，与设计焦距40μm偏差5%；图5(c)为焦斑大小，半高宽为3.4μm。

(a)z平面聚焦效果

聚焦效率计算方法为计算焦平面处以焦点为中心、高宽为直径的电场强度和焦平面电场强度之比的三倍半，计算效率为85%。聚焦效果图如图5所示，颜色图为归一化强度。

3 结 论

针对红外成像制导镜头轻量化、集成化设计需求，通过分析红外成像波段和超透镜相位调控原理，利用传输相位设计了3μm工作波长的超透镜，聚集效率85%，厚度小于1mm。根据密度可算出当口径为50mm时，质量小于10g。该超透镜结构简单，热膨胀系数小，为红外成像制导系统的小型化、集成型、低成本提供了新思路。