本發(fā)明涉及一種適用于制冷紅外探測器的平面多階衍射透鏡設(shè)計(jì)方法，屬于光學(xué)設(shè)計(jì)。

背景技術(shù)：

1、制冷型紅外光學(xué)系統(tǒng)具有減少雜散光，提高信噪比，增加對比度，改善光探測系統(tǒng)的探測和識別能力的優(yōu)勢，但目前制冷型紅外光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，需要較多的光學(xué)元件，導(dǎo)致體積較大且重量較重，這在一些需要輕便和緊湊設(shè)計(jì)的應(yīng)用中可能成為限制因素，且需要考慮冷反射的影響?，F(xiàn)有的多階衍射透鏡僅用一片透鏡就能實(shí)現(xiàn)消色差的目的，避免了多面透鏡的組合，因而這種衍射透鏡更輕，體積也更小，與制冷紅外探測器結(jié)合，能夠?qū)崿F(xiàn)紅外光學(xué)系統(tǒng)的微型化、集成化。

2、在中國專利公開號“cn113866979a”名稱為“多階衍射透鏡的消色差方法及消色差多階衍射透鏡”中，該方法結(jié)合全局優(yōu)化算法通過優(yōu)化軸上視場焦平面的聚焦效率得到實(shí)現(xiàn)400nm-1100nm消色差的多階衍射透鏡，并推出每一環(huán)高度的灰度階數(shù)分布的單元結(jié)構(gòu)深寬比最大值不超過2:1。上述方法僅對軸上視場聚焦設(shè)計(jì)，無法實(shí)現(xiàn)全視場范圍內(nèi)高質(zhì)量成像。同時光闌與元件重合，無法實(shí)現(xiàn)100％冷光闌效率，因此上述方法無法適用于制冷紅外探測器。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明為了解決現(xiàn)有多階衍射透鏡無法與制冷探測器適配的問題，提出了一種適用于制冷型紅外探測器的平面多階衍射透鏡設(shè)計(jì)方法，該方法顯著簡化制冷紅外系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)單一元件制冷紅外光學(xué)系統(tǒng)成像，并且能夠?qū)θǘ稳晥鲞M(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2、本發(fā)明解決技術(shù)問題的技術(shù)方案是：

3、適用于制冷紅外探測器的平面多階衍射透鏡設(shè)計(jì)方法，該方法包括以下步驟：

4、步驟一，以矩陣形式擬合透鏡表面結(jié)構(gòu)；

5、步驟二，基于軸上點(diǎn)聚焦效率，設(shè)計(jì)制冷型軸上視場的平面多階衍射透鏡；

6、步驟三，增加軸外視場來擴(kuò)大透鏡口徑，基于全視場進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)計(jì)制冷型多視場的平面多階衍射透鏡。

7、所述步驟一以矩陣形式擬合平面多階衍射透表面結(jié)構(gòu)，透鏡結(jié)構(gòu)為n*n的微結(jié)構(gòu)，視場所對應(yīng)的透鏡半徑為r1，每個微結(jié)構(gòu)的邊長為r1/n，設(shè)橫向微結(jié)構(gòu)為n1個，縱向微結(jié)構(gòu)為n2個，則微結(jié)構(gòu)所在位置與透鏡中心的距離為：

8、

9、若s≤r1，則劃入透鏡中視場的范圍內(nèi)，若s＞r1，則在視場范圍外。

10、所述步驟二基于軸上點(diǎn)聚焦效率，設(shè)計(jì)制冷型軸上視場的平面多階衍射透鏡，透鏡由n*n個底面積相同但高度不同的長方體緊密排列組成，根據(jù)冷光闌f數(shù)，先設(shè)定透鏡參數(shù)，以全波段的焦平面平均聚焦效率提升作為評價透鏡性能的指標(biāo)，通過優(yōu)化算法得到透鏡結(jié)構(gòu)最優(yōu)解。

11、所述步驟三基于軸上點(diǎn)聚焦效率，設(shè)計(jì)制冷型軸上視場平面多階衍射透鏡，透鏡半徑(視場半徑)為r1，通過增加軸外視場，擴(kuò)大透鏡口徑，擴(kuò)大后的透鏡半徑由以下計(jì)算公式推導(dǎo)得出；

12、設(shè)軸外焦點(diǎn)與軸上焦點(diǎn)的距離為l1，冷光闌半徑的長度為l2，冷光闌到像面的長度為l3，增加視場后，考慮視場后透鏡的半徑為r2，透鏡與冷光闌的距離為l4,軸外視場決定的結(jié)構(gòu)與軸上視場決定的結(jié)構(gòu)的距離(軸上視場與軸外視場的圓心距)l5；增加視場后，透鏡的半徑r2由以下公式?jīng)Q定：

13、

14、兩個視場的圓心距為：

15、

16、所述增加視場后的透鏡半徑和視場之間圓心距計(jì)算方法：通過得到的視場之間的圓心距、視場半徑、增加視場后的透鏡半徑，可以確定視場的范圍，按照步驟一的方法，將得到的視場位置與對應(yīng)的微結(jié)構(gòu)用矩陣表示，根據(jù)一個軸外視場推廣到多個軸外視場，設(shè)有n個視場，最大視場所決定的透鏡結(jié)構(gòu)的圓心與軸上的圓心距離不大于2r1，則有：

17、

18、所述步驟三制冷型軸外視場平面多階衍射透鏡的設(shè)計(jì)，通過增加軸外視場來擴(kuò)大透鏡口徑，根據(jù)各個視場所影響的透鏡微結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，對于n個視場而言，每部分面積(從上至下)與效率的權(quán)重的關(guān)系為：

19、η＝ω1η1+ω2η2+…+ωnηn

20、其中，η1、η2……ηn分別為各個視場下的聚焦效率，ω1、ω2……ωn分別為各個視場對應(yīng)的權(quán)重系數(shù)。

21、本發(fā)明的有益效果：

22、本發(fā)明針對全視場自由分配權(quán)重優(yōu)化制冷型平面多階衍射透鏡，通過引入全波段全視場的的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，顯著提升了全視場范圍內(nèi)的成像質(zhì)量。

23、該方法將孔徑光闌與冷光闌重合，從而實(shí)現(xiàn)了100％的冷光闌效率，通過該方法設(shè)計(jì)的多階衍射透鏡可以適用于制冷型紅外探測器。

24、本發(fā)明不僅顯著簡化了制冷紅外系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)，這對于提高制冷紅外光學(xué)系統(tǒng)的便攜性具有重要意義。

技術(shù)特征：

1.適用于制冷紅外探測器的平面多階衍射透鏡設(shè)計(jì)方法，其特征是，該方法包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的適用于制冷紅外探測器的平面多階衍射透鏡設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述步驟一以矩陣形式擬合平面多階衍射透表面結(jié)構(gòu)，透鏡結(jié)構(gòu)為n*n的微結(jié)構(gòu)，視場所對應(yīng)的透鏡半徑為r1，每個微結(jié)構(gòu)的邊長為r1/n，設(shè)橫向微結(jié)構(gòu)為n1個，縱向微結(jié)構(gòu)為n2個，則微結(jié)構(gòu)所在位置與透鏡中心的距離為：

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的適用于制冷紅外探測器的平面多階衍射透鏡設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述步驟二基于軸上點(diǎn)聚焦效率，設(shè)計(jì)制冷型軸上視場的平面多階衍射透鏡，透鏡由n*n個底面積相同但高度不同的長方體緊密排列組成，根據(jù)冷光闌f數(shù)，先設(shè)定透鏡參數(shù)，以全波段的焦平面平均聚焦效率提升作為評價透鏡性能的指標(biāo)，通過優(yōu)化算法得到透鏡結(jié)構(gòu)最優(yōu)解。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的適用于制冷紅外探測器的平面多階衍射透鏡設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述步驟三基于軸上點(diǎn)聚焦效率，設(shè)計(jì)制冷型軸上視場平面多階衍射透鏡，透鏡半徑(視場半徑)為r1，通過增加軸外視場，擴(kuò)大透鏡口徑，擴(kuò)大后的透鏡半徑由以下計(jì)算公式推導(dǎo)得出；

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的適用于制冷紅外探測器的平面多階衍射透鏡設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述增加視場后的透鏡半徑和視場之間圓心距計(jì)算方法：通過得到的視場之間的圓心距、視場半徑、增加視場后的透鏡半徑，可以確定視場的范圍，按照步驟一的方法，將得到的視場位置與對應(yīng)的微結(jié)構(gòu)用矩陣表示，根據(jù)一個軸外視場推廣到多個軸外視場，設(shè)有n個視場，最大視場所決定的透鏡結(jié)構(gòu)的圓心與軸上的圓心距離不大于2r1，則有：

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的適用于制冷紅外探測器的平面多階衍射透鏡設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述步驟三制冷型軸外視場平面多階衍射透鏡的設(shè)計(jì)，通過增加軸外視場來擴(kuò)大透鏡口徑，根據(jù)各個視場所影響的透鏡微結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，對于n個視場而言，每部分面積(從上至下)與效率的權(quán)重的關(guān)系為：

技術(shù)總結(jié)
適用于制冷紅外探測器的平面多階衍射透鏡設(shè)計(jì)方法，屬于光學(xué)設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域，為了解決現(xiàn)有多階衍射透鏡無法與制冷探測器適配的問題，該方法包括：步驟一，以矩陣形式擬合透鏡表面結(jié)構(gòu)；步驟二，基于軸上點(diǎn)聚焦效率，設(shè)計(jì)制冷型軸上視場的平面多階衍射透鏡；步驟三，增加軸外視場來擴(kuò)大透鏡口徑，基于全視場進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)計(jì)制冷型多視場的平面多階衍射透鏡。該方法針對全視場自由分配權(quán)重優(yōu)化制冷型平面多階衍射透鏡，通過引入全波段全視場的的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，顯著提升了全視場范圍內(nèi)的成像質(zhì)量。通過該方法設(shè)計(jì)的多階衍射透鏡可以適用于制冷型紅外探測器。不僅顯著簡化了制冷紅外系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)，對于提高制冷紅外光學(xué)系統(tǒng)的便攜性具有重要意義。

技術(shù)研發(fā)人員：樸明旭,婁一辰,甄政,趙淵明,張博,梁宗林
受保護(hù)的技術(shù)使用者：長春理工大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/6