[发明专利]多阶衍射透镜的消色差方法及消色差多阶衍射透镜

说明书

本发明公开了一种多阶衍射透镜的消色差方法及消色差多阶衍射透镜，首先根据初始多阶衍射透镜的环数和灰度阶数，设计光经过多阶衍射透镜后在焦点的光场强度的约束优化问题，使每一个波长处的聚焦光场一致，结合全局优化算法和搜索算法计算所述的约束优化问题的准全局最优解，然后进行平滑处理和梯度下降处理，得到实现消色差的多阶衍射透镜；本发明的消色差多阶衍射透镜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。本发明实现了大尺寸宽光谱消色差平面透镜参数设计，将传统的消色差系统压缩为一个平面透镜，极大地降低了消色差成像系统的体积和成本，减小加工难度，提升了透镜性能，实现了宽光谱范围内的高质量消色差成像。

技术领域

本发明涉及一种多阶衍射透镜的消色差方法及消色差多阶衍射透镜。

背景技术

在光学成像领域，获得宽光谱消色差成像是光学成像的重要目标之一。在传统的成像系统中，通常是利用多种不同材料组成的复合透镜来消除材料色散产生的折射色差，以此实现整个光谱内的清晰成像，或是将多个折射透镜组成透镜组，实现对色差的抑制。

采用多种不同材料组成的消色差复合透镜，目前大致分为三类：消色差透镜，复消色差透镜，超消色差透镜；其中消色差透镜采用至少两种材料，能够消除两个波长处(红光和蓝光)的色差；复消色差透镜采用至少三种材料，消除三个波长处的色差；超消色差透镜采用至少四种材料，消除四个波长处的色差。由于这类透镜的消色差性能需要通过增加材料种类来提升，相比于普通透镜，其体积更大，且加工精度要求高，制作昂贵。

利用不同材料和不同曲率的折射透镜色散规律不同，通过将多个折射透镜组合成一个透镜组也能实现消色差。这种方案成倍地增加了整个系统的体积和成本，同时透镜之间的对准也是一个精度要求非常高的过程，增加了制造的难度，极大地限制了消色差成像装置的推广和应用。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种的多阶衍射透镜的消色差方法，对宽光谱范围内清晰成像，以及消色差多阶衍射透镜。

技术方案：本发明所述的多阶衍射透镜的消色差方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)根据初始多阶衍射透镜的环数和灰度阶数，设计光经过多阶衍射透镜后在焦点的光场强度I(m，λ)的约束优化问题，使每一个波长处的聚焦光场一致，其中m为多阶衍射透镜的灰度阶数分布，λ为光的波长；

(2)结合全局优化算法和搜索算法计算所述的约束优化问题的准全局最优解m′；

(3)对步骤(2)得到的m′进行平滑处理，去除m′中深宽比较大的单元结构，得到平滑处理后的灰度阶数分布m″；

(4)对步骤(3)得到的m″进行梯度下降处理，得到消色差的多阶衍射透镜的灰度阶数分布m″′。

进一步地，所述约束优化问题的公式为：

s.t.1≤m_i≤M

i＝1，2...N

其中m_i为第i环高度的灰度阶数，N为多阶衍射透镜的环数，M为灰度阶数的最大值。

本发明的消色差多阶衍射透镜，由高度不同的环状结构组成，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。

所述步骤(2)为：

(21)对所述初始多阶衍射透镜的灰度阶数分布进行二值化处理；

(22)利用二元遗传算法计算所述步骤(1)中约束优化问题的解；

(23)将步骤(2)中得到的解作为初始值，利用模式搜索法计算所述步骤(1)中约束优化问题的准全局最优解m′。