(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210912723.3 (22)申请日 2022.07.31 (71)申请人 西北工业大 学 地址 710072 陕西省西安市友谊西路 (72)发明人 赵永强　王稼璇　 (74)专利代理 机构 西安凯多 思知识产权代理事 务所(普通 合伙) 61290 专利代理师 刘涛 (51)Int.Cl. G01J 3/26(2006.01) G01J 3/28(2006.01) G06F 30/20(2020.01) (54)发明名称 一种长波红外多光谱滤光片阵列结构优化 设计方法 (57)摘要 本发明公开了一种长波红外多光谱滤光片 阵列结构 优化设计方法， 同时基于多目标优化算 法对该亚波长滤光片阵列进行了联合优化设计。 通过仿真软件仿真分析， 该方法在加速滤光片阵 列设计周期的同时， 也最大程度地减少了阵列之 间的串扰， 光谱混叠， 并且最后进行了阵列的分 光性验证， 设置固定波长光源入射， 通过观察阵 列的电场分布， 结果展示了使用本发 明提出的方 法所设计阵列具有良好的分光 性能。 权利要求书1页 说明书4页 附图3页 CN 115435898 A 2022.12.06 CN 115435898 A 1.一种长波红外多光谱滤光片阵列结构优化设计方法， 其特 征在于， 包括如下步骤： 步骤1： 将Fabry ‑Perot结构与亚波长周期结构相结合， 确定Fabry ‑Perot结构； 步骤2： 分析 单元结构上光 栅个数对光谱透过率、 中心波长、 旁 带透过率的影响； 步骤3： 将长波红外滤光片阵列单片结构上光 栅个数n作为 一个新的优化变量引入； 步骤4： 对滤光片阵列不同单元间的串扰进行量化， 将串扰的消除问题转换为一个多目 标优化问题； 步骤5： 利用群智能优化算法并结合FDTD进行优化仿真， 得到2 ×2阵列各个阵列单元的 最优参数以及对应的最优透过率曲线； 步骤6： 利用步骤5中得到的各个阵列单元最优参数， 使用FDTD  solution中对2 ×2阵列 进行建模并进行分光 性验证。 2.根据权利要求1所述的一种长波红外多光谱滤光片阵列结构优化设计方法， 其特征 在于， 所述 步骤3和步骤4具体如下： 引入新的优化变量后， 优化变量组扩展为： X＝{2 μm<p<4 μm,0 <f<1,0<h<1 μm,15<n<30}              (1) 假设滤光片阵列理想光谱曲线分别为 峰值半宽为0.3μm， 透过率为 100％， 故建立目标函数f1： 其中， Xi表示第i通道结构最优参数， Ti表示第i通道 实际透过率， Tiset表示第i通道理想 透过率， m表示所有通道总个数， N表示采样点个数； 依据相邻两个单片光谱曲线之间差异最大化， 建立目标函数f2： 其中， T(i‑1)表示第i通道相邻通道的实际透过率； 结合公式(1)、 (2)、 (3)， 转换为 一个带有约束 多目标优化问题： 其中， w1＝1， w2＝‑1。权　利　要　求　书 1/1 页 2 CN 115435898 A 2一种长波红外多光谱滤光片阵列结构优化 设计方法 技术领域 [0001]本发明属于光学技术领域， 具体涉及一种长波红外多光谱滤光片阵列结构优化设 计方法。 背景技术 [0002]红外光谱成像是指对长波红外辐射信息进行探测， 从而感知其光谱及光强信息， 已经被广泛应用在检测物体的辐 射强度、 光谱信息等方面， 随着应用场景 的多样化与复杂 化， 研究人员对光谱仪器的便携性、 紧凑性、 快速等性能提出了更高的要求。 光谱相机、 光谱 成像仪等成像探测设备主要通过在成像传感器面前添加滤光片， 从而实现捕获特定波长位 置的窄带光谱响应， 达到分光效果， 其原理是在焦平面阵列表面直接集成像素级微纳滤光 片阵列， 通过在阵列的每个单元反射或透射特定波段的电磁波， 从而获得目标的空间信息 和光谱信息 。 [0003]目前在可见光与近红外波段， 基于Fabry ‑Perot薄膜型滤光片阵列的光谱成像设 备已成功制造， 制作工艺也较为成熟。 但由于在长波红外波段， 基于Fabry ‑Perot薄膜型滤 光片阵列膜系复杂且层数较多， 比较难制备， 发展较为缓慢。 近年来， 基于亚波长结构光栅 阵列、 超表面阵列等发展迅速， 密歇根大学Scherr  M等人设计了适用于长波红外的一维亚 波长光栅结构， 但 一维亚波长光栅结构的光谱带宽较大、 覆盖波 段范围较小， 同时存在偏振 不对称性， 且在设计多通道亚波长滤光片阵列时光谱之间的混叠现象较为严重， 从而导致 其对光谱的分光 性能变差 发明内容 [0004]为了克服现有技术的不足， 本发明提供了一种长波红外多光谱滤光片阵列结构优 化设计方法， 同时基于多目标优化算法对该亚波长滤光片阵列进行了联合优化设计。 通过 仿真软件仿真分析， 该方法在加速滤光片阵列设计周期的同时， 也最大程度地减少 了阵列 之间的串扰， 光谱混叠， 并且最后进行了阵列的分光性验证， 设置固定波长光源入射， 通过 观察阵列 的电场分布， 结果展示了使用本发明提出的方法所设计阵列具有良好的分光性 能。 [0005]本发明解决其 技术问题所采用的技 术方案包括如下步骤： [0006]步骤1： 将Fabry ‑Perot结构与亚波长周期结构相结合， 确定Fabry ‑Perot结构； [0007]步骤2： 分析 单元结构上光 栅个数对光谱透过率、 中心波长、 旁 带透过率的影响； [0008]步骤3： 将长波红外滤光片阵列单片结构上光栅个数n作为一个新的优化变量引 入； [0009]步骤4： 对滤光片阵列不同单元间的串扰进行量化， 将串扰的消除问题转换为一个 多目标优化问题； [0010]步骤5： 利用群智能优化算法并结合FDTD进行优化仿真， 得到2 ×2阵列各个阵列单 元的最优参数以及对应的最优透过率曲线；说　明　书 1/4 页 3 CN 115435898 A 3