[发明专利]一种自由曲面基底多层衍射元件的优化设计方法

说明书

本发明提出了一种自由曲面基底多层衍射元件的优化设计方法，涉及光学技术领域。该自由曲面基底多层衍射元件的优化设计方法通过基于预置的自由曲面多层衍射元件结构建立对应的光路传输模型，然后根据对应的光路传输模型分析推导得出综合积分平均衍射效率计算公式，最后根据综合积分平均衍射效率计算公式对预置的自由曲面多层衍射元件结构的初始有效微结构高度进行优化计算，得到优化的有效微结构高度数值。能够改善基于传统标量衍射理论的计算不准确性，实现多层衍射光学元件的严格设计和衍射效率的准确分析，并且提高一般入射下任意基底宽波段多层衍射光学元件的衍射效率。

技术领域

本发明涉及光学技术领域，具体而言，涉及一种自由曲面基底多层衍射元件的优化设计方法。

背景技术

在现有技术中，对于成像系统中的衍射光学元件的设计和分析，是基于传统标量衍射理论的，并且是基于平面基底进行的，且含有衍射光学元件的折衍混合成像光学系统的实际成像质量采用光学系统光学传递函数与衍射光学元件的带宽积分平均衍射效率的乘积进行预测和分析。因此，对折衍混合成像光学系统的设计和像质评价分为两部分：第一，采用光学设计软件如ZEMAX完成对成像光学系统的优化设计和像质分析；第二，采用数学计算、分析软件如MATLAB完成对应衍射光学元件的设计和衍射效率的计算，并最终计算和分析混合成像光学系统的实际像质。

然而，传统多层衍射光学元件是以平面基底为研究对象的，光线经过光学系统基底入射至衍射光学元件的入射角度是固定数值，并且传统带宽积分平均衍射效率并没有考虑入射角度对衍射效率的影响，在于垂直入射下多层衍射光学元件的优化设计问题，以实现多层衍射光学元件的带宽积分平均衍射效率最大化，研究理论不准确，研究对象不具有普遍意义。传统多层衍射光学元件设计和分析理论和模型都有很大的局限性，会造成对衍射效率的计算和评估不准，最终导致对实际像质评价的不准确。

发明内容

本发明的目的在于提供一种自由曲面基底多层衍射元件的优化设计方法，用以改善现有技术中多层衍射光学元件设计和分析理论和模型都有很大的局限性，会造成对衍射效率的计算和评估不准，最终导致对实际像质评价的不准确的问题。

第一方面，本申请实施例提供一种自由曲面基底多层衍射元件的优化设计方法，其包括以下步骤：

基于预置的自由曲面多层衍射元件结构建立对应的光路传输模型；

根据对应的光路传输模型分析推导得出综合积分平均衍射效率计算公式；

根据综合积分平均衍射效率计算公式对预置的自由曲面多层衍射元件结构的初始有效微结构高度进行优化计算，得到优化的有效微结构高度数值。

上述实现过程中，通过设置预置的自由曲面多层衍射元件结构，多层衍射光学元件基底为自由曲面基底，透镜表面上任意一点的矢高是不同的，因此，当光线入射至该位置时对应的折射角是不同的，最终会导致入射至第一层多层衍射光学元件的角度也是不同的，从而使得建立对应的光路传输模型更加准确，进一步根据对应的光路传输模型分析推导得出综合积分平均衍射效率计算公式也更加准确，从而提高一般入射下任意基底宽波段多层衍射光学元件的衍射效率，根据综合积分平均衍射效率计算公式对预置的自由曲面多层衍射元件结构的初始有效微结构高度进行优化计算，得到优化的有效微结构高度数值，根据得到的优化的有效微结构高度数值对预置的自由曲面多层衍射元件结构进行调整，从而得到更加精准的多层衍射光学元件，从而实现更加小型化、轻量化成像光学系统的设计。

基于第一方面，在本发明的一些实施例中，上述基于预置的自由曲面多层衍射元件结构建立对应的光路传输模型的步骤包括以下步骤：

采用光线追迹的方法对穿过预置的自由曲面多层衍射元件结构的光线进行追迹，得到对应的光路传输模型。

基于第一方面，在本发明的一些实施例中，上述根据对应的光路传输模型分析推导得出综合积分平均衍射效率计算公式的步骤包括以下步骤：