基于相位调制轴透镜的红外微光谱仪设计

我们设计并表征了一种新颖的基于轴透镜的衍射光学平台，其灵活结合了高效点聚焦与光栅选择性，并兼容基于 4 级相位掩模配置的规模化自顶向下制造。这是通过相位调制的紧凑轴透镜器件实现的，与传统菲涅耳透镜相比，其将选定波长的入射辐射同时聚焦于预定义位置并具有更大的焦深。此外，所提器件对偏振不敏感，并在宽光谱带上保持高聚焦效率。具体而言，我们在此讨论并表征了为长波红外（LWIR）$6~\mu$m--12~$\mu$m 波长范围以及 $4~\mu$m--6~$\mu$m 中波红外（MWIR）范围设计的调制轴透镜配置。这些器件非常适合于红外焦平面阵列（IR-FPAs）衬底层上的单片集成，并可用作紧凑微光谱仪。我们系统研究了其聚焦效率、光谱响应与串扰比，并展示了单平面上多波长聚焦的线性控制。我们的设计方法利用瑞利-索末菲（RS）衍射理论，并使用有限元法（FEM）进行数值验证。最后，我们展示了空间调制轴透镜在紧凑单透镜光谱仪实现中的应用。通过优化器件，我们在 $\lambda_0=8{\mu}m$ 处实现了 $\Delta\lambda=240nm$ 的最小可分辨波长间隔，在 $\lambda_0=5{\mu}m$ 处实现了 $\Delta\lambda=165nm$ 的最小可分辨波长间隔。所提器件为从光谱分选到 LWIR 与 MWIR 相位衬度成像及探测的众多应用增添了紧凑成像器件的基本光谱能力。