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計方法，屬于光學設計。

背景技術：

1、制冷型紅外光學系統(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系統(tǒng)設計較為復雜，需要較多的光學元件，導致體積較大且重量較重，這在一些需要輕便和緊湊設計的應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合，能夠實現(xiàn)紅外光學系統(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)分布的單元結構深寬比最大值不超過2:1。上述方法僅對軸上視場聚焦設計，無法實現(xiàn)全視場范圍內高質量成像。同時光闌與元件重合，無法實現(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。

技術實現(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計方法，該方法顯著簡化制冷紅外系統(tǒng)的結構，實現(xiàn)單一元件制冷紅外光學系統(tǒng)成像，并且能夠對全波段全視場進行優(yōu)化設計。

2、本發(fā)明解決技術問題的技術方案是：

3、適用于制冷紅外探測器的平面多階衍射透鏡設計方法，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構；

5、步驟二，基于軸上點聚焦效率，設計制冷型軸上視場的平面多階衍射透鏡；

6、步驟三，增加軸外視場來擴大透鏡口徑，基于全視場進行優(yōu)化，設計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構，透鏡結構為n*n的微結構，視場所對應的透鏡半徑為r1，每個微結構的邊長為r1/n，設橫向微結構為n1個，縱向微結構為n2個，則微結構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，若s＞r1，則在視場范圍外。

10、所述步驟二基于軸上點聚焦效率，設計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，根據冷光闌f數(shù)，先設定透鏡參數(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，通過優(yōu)化算法得到透鏡結構最優(yōu)解。

11、所述步驟三基于軸上點聚焦效率，設計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，擴大透鏡口徑，擴大后的透鏡半徑由以下計算公式推導得出；

12、設軸外焦點與軸上焦點的距離為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,軸外視場決定的結構與軸上視場決定的結構的距離(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由以下公式決定：

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的微結構用矩陣表示，根據一個軸外視場推廣到多個軸外視場，設有n個視場，最大視場所決定的透鏡結構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計，通過增加軸外視場來擴大透鏡口徑，根據各個視場所影響的透鏡微結構進行優(yōu)化，對于n個視場而言，每部分面積(從上至下)與效率的權重的關系為：

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的權重系數(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)化設計方法，顯著提升了全視場范圍內的成像質量。

23、該方法將孔徑光闌與冷光闌重合，從而實現(xiàn)了100％的冷光闌效率，通過該方法設計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)的整體結構，這對于提高制冷紅外光學系統(tǒng)的便攜性具有重要意義。

技術特征：

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

2.根據權利要求1所述的適用于制冷紅外探測器的平面多階衍射透鏡設計方法，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構，透鏡結構為n*n的微結構，視場所對應的透鏡半徑為r1，每個微結構的邊長為r1/n，設橫向微結構為n1個，縱向微結構為n2個，則微結構所在位置與透鏡中心的距離為：

3.根據權利要求1所述的適用于制冷紅外探測器的平面多階衍射透鏡設計方法，其特征在于，所述步驟二基于軸上點聚焦效率，設計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，根據冷光闌f數(shù)，先設定透鏡參數(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，通過優(yōu)化算法得到透鏡結構最優(yōu)解。

4.根據權利要求1所述的適用于制冷紅外探測器的平面多階衍射透鏡設計方法，其特征在于，所述步驟三基于軸上點聚焦效率，設計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，擴大透鏡口徑，擴大后的透鏡半徑由以下計算公式推導得出；

5.根據權利要求4所述的適用于制冷紅外探測器的平面多階衍射透鏡設計方法，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的微結構用矩陣表示，根據一個軸外視場推廣到多個軸外視場，設有n個視場，最大視場所決定的透鏡結構的圓心與軸上的圓心距離不大于2r1，則有：

6.根據權利要求1所述的適用于制冷紅外探測器的平面多階衍射透鏡設計方法，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計，通過增加軸外視場來擴大透鏡口徑，根據各個視場所影響的透鏡微結構進行優(yōu)化，對于n個視場而言，每部分面積(從上至下)與效率的權重的關系為：

技術總結
適用于制冷紅外探測器的平面多階衍射透鏡設計方法，屬于光學設計技術領域，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構；步驟二，基于軸上點聚焦效率，設計制冷型軸上視場的平面多階衍射透鏡；步驟三，增加軸外視場來擴大透鏡口徑，基于全視場進行優(yōu)化，設計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)化設計方法，顯著提升了全視場范圍內的成像質量。通過該方法設計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)的整體結構，對于提高制冷紅外光學系統(tǒng)的便攜性具有重要意義。

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