适用于制冷红外探测器的平面多阶衍射透镜设计方法

本发明涉及一种适用于制冷红外探测器的平面多阶衍射透镜设计方法，属于光学设计。

背景技术：

1、制冷型红外光学系统具有减少杂散光，提高信噪比，增加对比度，改善光探测系统的探测和识别能力的优势，但目前制冷型红外光学系统设计较为复杂，需要较多的光学元件，导致体积较大且重量较重，这在一些需要轻便和紧凑设计的应用中可能成为限制因素，且需要考虑冷反射的影响。现有的多阶衍射透镜仅用一片透镜就能实现消色差的目的，避免了多面透镜的组合，因而这种衍射透镜更轻，体积也更小，与制冷红外探测器结合，能够实现红外光学系统的微型化、集成化。

2、在中国专利公开号“cn113866979a”名称为“多阶衍射透镜的消色差方法及消色差多阶衍射透镜”中，该方法结合全局优化算法通过优化轴上视场焦平面的聚焦效率得到实现400nm-1100nm消色差的多阶衍射透镜，并推出每一环高度的灰度阶数分布的单元结构深宽比最大值不超过2:1。上述方法仅对轴上视场聚焦设计，无法实现全视场范围内高质量成像。同时光阑与元件重合，无法实现100％冷光阑效率，因此上述方法无法适用于制冷红外探测器。

技术实现思路

1、本发明为了解决现有多阶衍射透镜无法与制冷探测器适配的问题，提出了一种适用于制冷型红外探测器的平面多阶衍射透镜设计方法，该方法显著简化制冷红外系统的结构，实现单一元件制冷红外光学系统成像，并且能够对全波段全视场进行优化设计。

2、本发明解决技术问题的技术方案是：

3、适用于制冷红外探测器的平面多阶衍射透镜设计方法，该方法包括以下步骤：

4、步骤一，以矩阵形式拟合透镜表面结构；

5、步骤二，基于轴上点聚焦效率，设计制冷型轴上视场的平面多阶衍射透镜；

6、步骤三，增加轴外视场来扩大透镜口径，基于全视场进行优化，设计制冷型多视场的平面多阶衍射透镜。

7、所述步骤一以矩阵形式拟合平面多阶衍射透表面结构，透镜结构为n*n的微结构，视场所对应的透镜半径为r1，每个微结构的边长为r1/n，设横向微结构为n1个，纵向微结构为n2个，则微结构所在位置与透镜中心的距离为：

8、

9、若s≤r1，则划入透镜中视场的范围内，若s＞r1，则在视场范围外。

10、所述步骤二基于轴上点聚焦效率，设计制冷型轴上视场的平面多阶衍射透镜，透镜由n*n个底面积相同但高度不同的长方体紧密排列组成，根据冷光阑f数，先设定透镜参数，以全波段的焦平面平均聚焦效率提升作为评价透镜性能的指标，通过优化算法得到透镜结构最优解。

11、所述步骤三基于轴上点聚焦效率，设计制冷型轴上视场平面多阶衍射透镜，透镜半径(视场半径)为r1，通过增加轴外视场，扩大透镜口径，扩大后的透镜半径由以下计算公式推导得出；

12、设轴外焦点与轴上焦点的距离为l1，冷光阑半径的长度为l2，冷光阑到像面的长度为l3，增加视场后，考虑视场后透镜的半径为r2，透镜与冷光阑的距离为l4,轴外视场决定的结构与轴上视场决定的结构的距离(轴上视场与轴外视场的圆心距)l5；增加视场后，透镜的半径r2由以下公式决定：

13、

14、两个视场的圆心距为：

15、

16、所述增加视场后的透镜半径和视场之间圆心距计算方法：通过得到的视场之间的圆心距、视场半径、增加视场后的透镜半径，可以确定视场的范围，按照步骤一的方法，将得到的视场位置与对应的微结构用矩阵表示，根据一个轴外视场推广到多个轴外视场，设有n个视场，最大视场所决定的透镜结构的圆心与轴上的圆心距离不大于2r1，则有：

17、

18、所述步骤三制冷型轴外视场平面多阶衍射透镜的设计，通过增加轴外视场来扩大透镜口径，根据各个视场所影响的透镜微结构进行优化，对于n个视场而言，每部分面积(从上至下)与效率的权重的关系为：

19、η＝ω1η1+ω2η2+…+ωnηn

20、其中，η1、η2……ηn分别为各个视场下的聚焦效率，ω1、ω2……ωn分别为各个视场对应的权重系数。

21、本发明的有益效果：

22、本发明针对全视场自由分配权重优化制冷型平面多阶衍射透镜，通过引入全波段全视场的的优化设计方法，显著提升了全视场范围内的成像质量。

23、该方法将孔径光阑与冷光阑重合，从而实现了100％的冷光阑效率，通过该方法设计的多阶衍射透镜可以适用于制冷型红外探测器。

24、本发明不仅显著简化了制冷红外系统的整体结构，这对于提高制冷红外光学系统的便携性具有重要意义。

技术特征：

1.适用于制冷红外探测器的平面多阶衍射透镜设计方法，其特征是，该方法包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的适用于制冷红外探测器的平面多阶衍射透镜设计方法，其特征在于，所述步骤一以矩阵形式拟合平面多阶衍射透表面结构，透镜结构为n*n的微结构，视场所对应的透镜半径为r1，每个微结构的边长为r1/n，设横向微结构为n1个，纵向微结构为n2个，则微结构所在位置与透镜中心的距离为：

3.根据权利要求1所述的适用于制冷红外探测器的平面多阶衍射透镜设计方法，其特征在于，所述步骤二基于轴上点聚焦效率，设计制冷型轴上视场的平面多阶衍射透镜，透镜由n*n个底面积相同但高度不同的长方体紧密排列组成，根据冷光阑f数，先设定透镜参数，以全波段的焦平面平均聚焦效率提升作为评价透镜性能的指标，通过优化算法得到透镜结构最优解。

4.根据权利要求1所述的适用于制冷红外探测器的平面多阶衍射透镜设计方法，其特征在于，所述步骤三基于轴上点聚焦效率，设计制冷型轴上视场平面多阶衍射透镜，透镜半径(视场半径)为r1，通过增加轴外视场，扩大透镜口径，扩大后的透镜半径由以下计算公式推导得出；

5.根据权利要求4所述的适用于制冷红外探测器的平面多阶衍射透镜设计方法，其特征在于，所述增加视场后的透镜半径和视场之间圆心距计算方法：通过得到的视场之间的圆心距、视场半径、增加视场后的透镜半径，可以确定视场的范围，按照步骤一的方法，将得到的视场位置与对应的微结构用矩阵表示，根据一个轴外视场推广到多个轴外视场，设有n个视场，最大视场所决定的透镜结构的圆心与轴上的圆心距离不大于2r1，则有：

6.根据权利要求1所述的适用于制冷红外探测器的平面多阶衍射透镜设计方法，其特征在于，所述步骤三制冷型轴外视场平面多阶衍射透镜的设计，通过增加轴外视场来扩大透镜口径，根据各个视场所影响的透镜微结构进行优化，对于n个视场而言，每部分面积(从上至下)与效率的权重的关系为：

技术总结适用于制冷红外探测器的平面多阶衍射透镜设计方法，属于光学设计技术领域，为了解决现有多阶衍射透镜无法与制冷探测器适配的问题，该方法包括：步骤一，以矩阵形式拟合透镜表面结构；步骤二，基于轴上点聚焦效率，设计制冷型轴上视场的平面多阶衍射透镜；步骤三，增加轴外视场来扩大透镜口径，基于全视场进行优化，设计制冷型多视场的平面多阶衍射透镜。该方法针对全视场自由分配权重优化制冷型平面多阶衍射透镜，通过引入全波段全视场的的优化设计方法，显著提升了全视场范围内的成像质量。通过该方法设计的多阶衍射透镜可以适用于制冷型红外探测器。不仅显著简化了制冷红外系统的整体结构，对于提高制冷红外光学系统的便携性具有重要意义。技术研发人员：朴明旭,娄一辰,甄政,赵渊明,张博,梁宗林受保护的技术使用者：长春理工大学技术研发日：技术公布日：2025/1/6