制冷红外折射超透镜混合设计仿真

关键词：制冷红外系统；超透镜；消色差；Zemax光学设计；FDTD仿真；冷反射

一、文章简要介绍

这篇论文2026年发表在Photonics期刊上，DOI：10.3390/photonics13080774，作者来自长春理工大学光电工程学院。文章解决的是制冷型中波红外成像系统的老难题：制冷探测器要求光阑与冷屏严格匹配，会破坏光路对称性，折射镜头数量一少，宽带像差就压不住，所以传统方案只能靠七八片镜片堆叠，系统又大又重。

他们给出一套折射-超透镜混合设计方法：常规折射镜负责提供主要光焦度，出瞳附近放一片超薄超透镜专职补偿色差。按这个方法设计的制冷中波红外系统，工作波段3.3到5微米，全视场126度，F数2，只用了三片折射镜加一片超透镜，总元件数从八件降到四件。

二、模拟计算设置与方法

先说混合消色差的原理。折射系统里材料色散让不同波长的光程不一致，会产生随波长变化的波前误差。文章把这种色散相位算出来，让超透镜提供一个符号相反的相位去抵消它，公式上就是超透镜相位等于负的折射系统色散相位。横向色差部分由旋转对称超透镜做一阶补偿，残余的场相关横向色差交给折射非球面优化去收尾。

图2 折射-超透镜混合消色差聚焦原理：(a)折射镜(b)超透镜(c)混合系统

图2画的就是这个思路：单独一片折射镜，三个波长聚焦点不重合；单独一片超透镜同样有残差；把两者组合，不同波长的光被收到同一个焦点上。理论公式把原先靠经验试凑的优化过程，变成了确定性的相位映射流程。

作为基线，先按欧洲专利EP3642657B1的构型建了常规八镜系统（图1）：工作波段3.3到5微米，焦距33毫米，像元6微米，F数2，全视场126度，总长小于260毫米，33线对每毫米处MTF要求不低于0.4。这套系统成像质量没问题，但镜片多、结构长，减重空间有限。

图1 常规八片折射式制冷中波红外系统结构与成像性能（基线方案）

图1是常规折射系统的结构与性能：a是八片镜的光路结构，b是各视场点列图，c是多色平均MTF曲线，33线对处超过0.4。

超透镜设计走的是全硅路线，衬底和纳米柱都用硅，中波红外波段折射率高、吸收小。单元是方形晶格排列的圆柱硅纳米柱，周期1700纳米，半径限制在300到700纳米。目标相位分布从折射子系统的色散相位直接映射得到（图3），用加权最小二乘匹配策略，让单元半径在各采样波长上同时逼近目标相位。

图3 超透镜目标相位分布与代表性硅纳米柱单元几何

图3a是超透镜需要的目标相位分布，b和c是两种半径的代表性圆柱纳米柱单元。

纳米柱的相位响应和透射率用FDTD方法扫参数：固定周期，扫纳米柱半径和高度。图4的相位图显示高度超过2.4微米就能在指定半径范围内覆盖完整的0到2π相位调制；综合考虑深宽比和加工难度，最终选高度2900纳米，对应深宽比4.14到9.67，与文献里已加工出来的全硅中波红外超透镜水平相当，工艺上可行。

图4 FDTD参数扫描：纳米柱半径-高度对应的相位与透射率分布

图4是FDTD参数扫描结果：a是不同半径和高度下的相位分布，b是透射率分布，黑色虚线标出选定高度2900纳米。单元库透射率在0.43到0.78之间，均值约0.63。

把选定半径的单元按目标相位分布排布建出超透镜模型后，从全波仿真里提取实际生成相位，和理论目标对比，最大偏差约0.1乘2π弧度。这个偏差来自单元离散化和相邻单元的电磁耦合，没法在超透镜单侧消掉，文章的处理办法是把它反馈回光学设计软件，用前端折射组的结构参数做补偿自由度重新优化。

三、关键结果与发现

先看混合系统的成像性能（图5）。结构上，系统由三片非球面折射镜加一片超透镜组成，折射镜数量从八片减到三片，总元件数从八减到四。轴上点列图均方根半径从9.53微米降到5.34微米，降幅约44%，所有视场的RMS光斑都比传统设计小；轴上33线对多色MTF超过0.63。

图5 混合系统光路结构、点列图与MTF（三片折射镜加一片超透镜）

图5是混合系统的光路结构、点列图和MTF曲线，各视场成像质量与八镜基线相当甚至更好。

系统体积重量变化更直观：总长从260毫米缩到206.55毫米，缩短约21%；系统总重从1254.72克降到263.49克，减重约79%。

实际相位反馈优化这一步的效果见图6。把FDTD提取的实际相位直接代入时MTF有下降，经过前端折射组参数补偿再优化后，MTF重新拉起来，全视场33线对多色MTF回到0.4以上，满足原始指标。这套流程说明：超透镜模型和真实单元之间的偏差，可以在系统层面通过折射组再优化来吸收，不需要反复重做电磁仿真。

图6 实际相位代入前后MTF对比（前端折射组迭代优化补偿）

图6是实际相位代入后的MTF（a）与迭代优化后的MTF（b）对比，都是3.3到5微米波段的多色平均。

制冷系统还有个特有的坑是冷反射（narcissus）：探测器温度低，光学件温度高，表面反射的冷背景辐射会在像面形成鬼像。几何光线追迹先做YNI判据筛查，最差面YNI值为负4.757，反射光在像面形成大而均匀的弥散斑。超透镜由微纳结构组成，几何追迹不够，文章又用FDTD做逆光路模拟：把像面当辐射源，追探测器发出的背景能量打到超透镜再反射回来的路径（图7）。

图7 FDTD逆光路冷反射模拟：模型、反射传播与像面能量分布

图7是FDTD冷反射模拟：a是逆光路等效模型，像面作辐射源；b是能量经超透镜反射后的传播，呈离散散射；c是像面冷反射能量分布。峰值电场0.8伏每米，但归一化到像面的峰值NITD只有1.2乘10的负3次方开尔文，和均匀背景一个量级，说明这片超透镜构型在模拟条件下不会带来明显的冷反射干扰。

总结一下：这套折射-超透镜混合方法用一片超薄超透镜换掉四片折射镜，总长减21%、重量减79%，成像质量不掉，冷反射也压得住，给紧凑轻量化的制冷红外系统设计提供了一条新路子。

四、我们提供的服务

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