基于超透镜的光学系统的设计方法、装置及电子设备与流程

1.本技术涉及光学元件的技术领域，具体而言，涉及一种基于超透镜的光学系统的设计方法、装置及电子设备。


背景技术：

2.超透镜是一种超表面，超表面为一层亚波长的人工纳米结构膜，可通过其上设置的纳米结构单元来对入射光的振幅、相位和偏振进行调制。而现有技术中的折射透镜是通过厚度和曲率的变化实现对光程差的调节。
3.现有技术中的超透镜在应用于宽谱成像的光学系统时，在不同波长下的成像效果存在差异。这是因为，超透镜与传统的折射透镜存在成像原理上的区别，而现有的光学系统的设计方法中没有引入对超透镜的优化步骤。
4.因此，亟需一种基于超透镜的光学系统的设计方法、装置及电子设备。


技术实现要素：

5.为解决现有存在的技术问题，本技术实施例提供一种基于超透镜的光学系统的设计方法、装置、电子设备及计算机可读存储介质。
6.第一方面，本技术实施例提供了一种基于超透镜的光学系统的设计方法，其特征在于，所述方法包括：
7.确定所述光学系统的目标波段，在所述目标波段中选取主波长和参考波长；
8.确定所述光学系统的系统变量和评价函数；
9.基于所述主波长进行系统优化，得到所述光学系统中超透镜的初始相位分布；
10.基于所述初始相位分布，确定所述超透镜的纳米结构的结构参数并配置所述纳米结构的离散化排布，得到离散相位分布；
11.将所述纳米结构在所述主波长和所述参考波长下的相位应用于所述光学系统中的超透镜，并计算所述主波长和所述参考波长下所述光学系统的评价函数；判断所述主波长和所述参考波长下所述光学系统的评价函数是否满足目标条件；
12.若是，则输出所述纳米结构的结构参数、所述离散化排布以及所述离散相位分布；
13.若否，则优化所述离散相位分布直至满足评价函数。
14.可选地，所述主波长的数量为1，所述参考波长的数量大于或等于1；所述主波长为所述目标波段的中心波长。
15.可选地，所述优化所述离散相位分布包括重新配置所述纳米结构的结构参数和/或离散化排布并重新获得所述参考波长的调控相位直至所述光学系统在所述主波长和所述参考波长下的评价函数满足目标条件。
16.可选地，所述优化所述离散相位分布包括将不同波长下的离散相位分布按空间位置拟合成连续函数的相位曲线，对拟合所得的连续相位进行优化。
17.可选地，所述优化所述离散相位分布还包括：针对不同波长下超透镜的离散相位
分布的相位系数进行优化。
18.可选地，所述系统变量包括光学系统中透镜的间距、透镜的曲率、透镜的厚度、超透镜各阶相位系数中的任意一个或多个的组合。
19.可选地，所述评价函数至少满足：
[0020][0021]
其中，mf为评价函数，vi表示各个系统变量的实际值，ti表示各个系统变量的目标值，wi表示各项系统变量的权重因子。
[0022]
可选地，所述评价函数的目标值包括调制传递函数、相对照度、均方根弥散斑、纳米结构的相位偏差、像差和色散中的任意一个或多个的组合。
[0023]
可选地，当所述光学系统中同时包括折射透镜和超透镜时，所述折射透镜的曲率和透镜为变量，所述超透镜的曲率和厚度为定值。
[0024]
可选地，计算所述评价函数包括根据主波长和所述参考波长的光强设置权重。
[0025]
可选地，所述光学系统的点扩散函数满足：
[0026][0027]
其中，psfi为所述参考波长和所述主波长中任一波长λi下的点扩散函数；m为所述主波长和所述参考波长的数量之和。
[0028]
可选地，所述点扩散函数还满足：
[0029][0030]
其中，psfi为所述参考波长和所述主波长中任一波长λi下的点扩散函数；ni为任一波长λi的光强与总光强的占比。
[0031]
第二方面，本技术实施例还提供了一种基于超透镜的光学系统的设计装置，其特征在于，应用于如上述任一实施方式提供的设计方法，所述设计装置包括：
[0032]
输入模块，被配置为输入光学系统的目标波段、系统变量和评价函数；
[0033]
优化模块，被配置为计算和/或优化所述光学系统中超透镜的相位；
[0034]
评价模块，被配置为计算所述光学系统的评价函数；
[0035]
判断模块，被配置为判断所述评价函数是否满足目标条件；
[0036]
输出模块，被配置为输出所述超透镜的纳米结构的结构参数、离散化排布以及离散相位分布。
[0037]
可选地，所述计算和/或优化所述光学系统的相位包括：
[0038]
基于目标波段的主波长进行系统优化，得到初始相位分布；和/或，
[0039]
基于初始相位分布得到纳米结构的离散相位分布；和/或，
[0040]
计算参考数量个参考波长的调控相位。
[0041]
可选地，所述设计装置还包括：
[0042]
匹配模块，被配置为选择与所述初始相位分布匹配的纳米结构的结构参数。
[0043]
可选地，所述设计装置还包括：
[0044]
平衡模块，被配置为根据目标波段内不同波长的光强，设置评价函数中各个波长对应的权重。
[0045]
第三方面，一种电子设备，包括总线、收发器、存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述收发器、所述存储器和所述处理器通过所述总线相连，所述计算机程序被所述处理器执行时实现如上述任一实施方式提供的设计方法中的步骤。
[0046]
第四方面，一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上述任一实施方式提供的任一所述的方法中的步骤。
[0047]
本技术实施例提供的基于超透镜的光学系统的设计方法、装置、电子设备及计算机可读存储介质，基于主波长获得初始相位分布，之后基于初始相位分布配置纳米结构的结构参数和离散化分布，从而获得离散相位分布，计算并分析离散相位分布对应的超透镜在多波长下的评价函数，以确定当前超透镜的结构和相位是否需要进一步优化。借此，该设计方法通过基于主波长下的初始相位分布获得超透镜的纳米结构的离散化配置，再针对超透镜的纳米结构的离散化配置及离散相位分布的优化，有效抑制了包含超透镜的光学系统在不同波长下的成像效果的差异，使优化所得的超透镜在宽谱的成像质量高于传统优化方法所得的超透镜。
附图说明
[0048]
为了更清楚地说明本技术实施例或背景技术中的技术方案，下面将对本技术实施例或背景技术中所需要使用的附图进行说明。
[0049]
图1示出了本技术实施例所提供的一种基于超透镜的光学系统的设计方法的流程图；
[0050]
图2示出了本技术实施例所提供的光学系统的一种可选的结构示意图；
[0051]
图3示出了图2中所示的光学系统的超透镜的一种可选的相位分布；
[0052]
图4示出了图2中所示的光学系统的超透镜的经过优化后的一种可选的相位分布；
[0053]
图5示出了图2中所示的光学系统的超透镜的离散相位分布的一种可选的拟合结果；
[0054]
图6示出了图2中所示的光学系统的超透镜的离散相位分布的又一种可选的拟合结果；
[0055]
图7示出了图2中所示的光学系统的超透镜在不同波长下的调制传递函数曲线；
[0056]
图8示出了本技术实施例提供的一种光学系统的在不同视场、不同波长下的调制传递函数曲线；
[0057]
图9示出了本技术实施例所提供的一种基于超透镜的光学系统的设计装置的一种可选的结构示意图；
[0058]
图10示出了本技术实施例所提供的一种基于超透镜的光学系统的设计装置的又一种可选的结构示意图；
[0059]
图11示出了本技术实施例所提供的电子设备的一种可选的结构示意图。
[0060]
图中附图标记分别表示：
[0061]
10-滤光片；20-光阑；30-超透镜；
[0062]
1110-总线；1120-处理器；1130-收发器；1140-总线接口；1150-存储器；1160-用户接口。
具体实施方式
[0063]
在本技术实施例的描述中，所属技术领域的技术人员应当知道，本技术实施例可以实现为方法、装置、电子设备及计算机可读存储介质。因此，本技术实施例可以具体实现为以下形式：完全的硬件、完全的软件(包括固件、驻留软件、微代码等)、硬件和软件结合的形式。此外，在一些实施例中，本技术实施例还可以实现为在一个或多个计算机可读存储介质中的计算机程序产品的形式，该计算机可读存储介质中包含计算机程序代码。
[0064]
上述计算机可读存储介质可以采用一个或多个计算机可读存储介质的任意组合。计算机可读存储介质包括：电、磁、光、电磁、红外或半导体的系统、装置或器件，或者以上任意的组合。计算机可读存储介质更具体的例子包括：便携式计算机磁盘、硬盘、随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)、可擦除可编程只读存储器(eprom)、闪存(flash memory)、光纤、光盘只读存储器(cd-rom)、光存储器件、磁存储器件或以上任意组合。在本技术实施例中，计算机可读存储介质可以是任意包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行系统、装置、器件使用或与其结合使用。
[0065]
上述计算机可读存储介质包含的计算机程序代码可以用任意适当的介质传输，包括：无线、电线、光缆、射频(radio frequency，rf)或者以上任意合适的组合。
[0066]
可以以汇编指令、指令集架构(isa)指令、机器指令、机器相关指令、微代码、固件指令、状态设置数据、集成电路配置数据或以一种或多种程序设计语言或其组合来编写用于执行本技术实施例操作的计算机程序代码，所述程序设计语言包括面向对象的程序设计语言，例如：java、smalltalk、c++，还包括常规的过程式程序设计语言，例如：c语言或类似的程序设计语言。计算机程序代码可以完全的在用户计算机上执行、部分的在用户计算机上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算机上部分在远程计算机上执行以及完全在远程计算机或服务器上执行。在涉及远程计算机的情形中，远程计算机可以通过任意种类的网络，包括：局域网(lan)或广域网(wan)，可以连接到用户计算机，也可以连接到外部计算机。
[0067]
本技术实施例通过流程图和/或方框图描述所提供的方法、装置、电子设备。
[0068]
应当理解，流程图和/或方框图的每个方框以及流程图和/或方框图中各方框的组合，都可以由计算机可读程序指令实现。这些计算机可读程序指令可以提供给通用计算机、专用计算机或其他可编程数据处理装置的处理器，从而生产出一种机器，这些计算机可读程序指令通过计算机或其他可编程数据处理装置执行，产生了实现流程图和/或方框图中的方框规定的功能/操作的装置。
[0069]
也可以将这些计算机可读程序指令存储在能使得计算机或其他可编程数据处理装置以特定方式工作的计算机可读存储介质中。这样，存储在计算机可读存储介质中的指令就产生出一个包括实现流程图和/或方框图中的方框规定的功能/操作的指令装置产品。
[0070]
也可以将计算机可读程序指令加载到计算机、其他可编程数据处理装置或其他设备上，使得在计算机、其他可编程数据处理装置或其他设备上执行一系列操作步骤，以产生计算机实现的过程，从而使得在计算机或其他可编程数据处理装置上执行的指令能够提供实现流程图和/或方框图中的方框规定的功能/操作的过程。
[0071]
现有技术中的超透镜应用于宽谱成像时，在不同波长下的成像效果存在差异。本技术的发明人发现，基于现有的光学设计软件及方法的优化，并不能有效地抑制这种差异。
[0072]
本技术的发明人出乎意料地发现造成这种现象的原因在于，现有的光学设计方法及软件的设计初衷是为了更好地优化由传统的折射透镜组成的光学系统，因此绝大部分现有的光学设计方法及软件是基于空间分布连续的相位分布(相位在空间分布是连续的)，而且色散关系仅基于材料折射率。然而，超透镜是通过纳米结构对入射电磁波进行调控。超透镜中不同的纳米结构对不同波长的光学响应不同，结构单元的调控相位随波长的变化而非线性地变化，且纳米结构在空间分布是离散的。因此，传统光学设计方法及软件并不能适配超透镜的优化。
[0073]
鉴于上述问题，本技术实施例提供了一种基于超透镜的光学系统的设计方法，针对超透镜的纳米结构在空间上离散分布且随波长非线性变化的相位进行系统优化，以提高光学系统在宽谱的成像质量。下面结合本技术实施例中的附图对本技术实施例进行描述。
[0074]
图1示出了本技术实施例所提供的一种基于超透镜的光学系统的设计方法的流程图。如图1所示，该方法的具体实施方式如下所述。
[0075]
步骤一，确定光学系统的目标波段，在所述目标波段中选取主波长和参考波长。根据本技术的实施方式，目标波段为光学系统的工作波段，通常为宽波段。
[0076]
在一些可选的实施例中，在目标波段中选取m个波长，在前述m个波长中分别选取1个波长作为主波长，n个波长作为和参考波长，m＝n+1,m和n均为整数且m≥2。可选地，前述m个波长由主波长和参考波长组成。主波长的数量为1，参考波长的数量大于或等于1。示例性地，目标波段的主波长为目标波段的中心波长，所述主波长的数量为1，所述参考波长的数量大于或等于1。可选地，所述参考波长的数量大于或等于2。
[0077]
根据本技术的实施方式，该光学系统可以完全由超透镜组成，也可以是由超透镜和传统折射透镜组成的折-超混合光学系统。可选地，进一步确定光学系统的视场角和/或入瞳直径等。
[0078]
步骤二，确定光学系统的系统变量和评价函数。具体地，基于光学系统的基本架构(即光学参数)确定系统变量。系统变量能够直接影响光学系统对光场的调控能力。系统变量包括光学系统中透镜的间距、透镜的曲率、透镜的厚度、超透镜各阶相位系数中的任意一个或多个的组合。例如，当光学系统中同时包括传统的折射透镜和超透镜时，将折射透镜的曲率和厚度设为变量，而将超透镜的厚度和曲率设为定值。
[0079]
步骤三，基于目标波段的主波长进行系统优化，从而得到该光学系统中超透镜的初始相位分布。
[0080]
根据本技术的实施方式，在获得初始相位分布时，针对已经确定的系统变量，选择一个起始值开始优化。系统变量的起始值可以通过计算获得，也可以根据经验确定。在该步骤中，并不直接针对工作波段中的多个波长以及超透镜的离散相位进行优化，而是在工作波段内确定一个主波长，针对主波长进行系统变量的优化。借此获得超透镜的初始相位分布用作对该光学系统进行全局优化时的初始值。需要说明的是，本技术提供的光学系统中，超透镜的初始相位是空间连续的，适用传统的连续相位优化方法，可以通过本领域常规的优化方法(例如遗传算法等)快速获得。
[0081]
步骤四，基于初始相位分布，确定超透镜的纳米结构的结构参数并配置所述纳米结构的离散化排布，得到离散相位分布。上述优化步骤中获得的初始优化是基于主波长进行的，而超透镜中纳米结构的分布是离散的。并且，超透镜的相位随波长的变化是非线性
的。因此，根据本技术的实施方式，先获得基于主波长的初始相位，再基于初始相位选择纳米结构的结构参数，之后将选取的纳米结构离散化分布。借此，可以获得匹配主波长及其附近连续波长的超透镜的离散相位分布。根据本技术的实施方式，纳米结构的结构参数包括特征尺寸以结构类型等。
[0082]
可选地，上述纳米结构能够从纳米结构数据库中选取。纳米结构数据库中包括了多种结构类型以及多种其他结构参数。例如，纳米结构的结构类型包括圆柱、圆环、棱柱、十字柱等。应理解，同一相位可以对应多种结构类型。例如，同一相位分布对应的超透镜可以包括同一种类型的纳米结构，也可以包括不同结构类型的纳米结构。再例如，同一相位分布可以通过圆柱形的纳米结构实现，也可以通过十字形柱的纳米结构实现。不难理解，选取纳米结构时，优选最接近初始相位分布的结构类型、特征尺寸及分布方式。应理解，选取纳米结构时还需考虑到优化时的计算难度以及加工工艺的难度等。
[0083]
需要注意的是，由于在配置好纳米结构的结构类型、特征尺寸和离散化分布之后，还可选地进行相位优化，因此，为了提高优化速率，可以选择圆柱形的纳米结构，以降低优化及工艺难度。
[0084]
事实上，超透镜对目标波段的响应为离散化配置的纳米结构对目标波段的响应。一旦纳米结构的离散化配置(结构类型、特征尺寸以及排布方式等)确定，超透镜上每个受光位置对入射电磁波的调控相位也相应地确定。由于，针对主波长及其附近连续波段的离散相位分布已经确定，但离散化配置的纳米结构在整个目标波段下的光学响应是未知的。因此，需要在目标波段中选择主波长之外的参考波长进行相位分析。根据本技术的实施方式，依次读取数据库内被配置好的各个纳米结构在参考波长下的调控相位，即可获得在当前纳米结构离散化配置下，超透镜的离散相位分布。
[0085]
步骤五，将纳米结构在所述主波长和所述参考波长下的相位应用于该光学系统中的超透镜，并计算该光学系统在所述主波长和所述参考波长下的评价函数。
[0086]
根据本技术的实施方式，光学系统的评价函数的确定基于该光学系统的设计目标。可选地，评价函数的设计目标包括调制传递函数(modulation transfer function，mtf)、相对照度(relative illumination，ri)、均方根弥散斑(root mean square，rms)、纳米结构的相位偏差以及各种像差和色散等。应理解，纳米结构的相位偏差是在纳米结构匹配以及纳米结构优化过程中替换纳米结构时不可避免的，即理论计算相位和所匹配纳米结构的实际相位存在一定偏差，只要纳米结构的相位偏差控制在允许的范围内即可。
[0087]
例如，该光学系统的评价函数至少满足下述公式(1)：
[0088][0089]
其中，mf为评价函数，vi表示各个系统变量的实际值，ti表示各个系统变量的目标值，wi表示各项系统变量的权重因子。例如，在求解高分辨率的光学系统时，可以将光学系统的mtf或rms作为目标值进行优化，直至获得mf2的最小值，即可获得达到(或逼近)设计目标的高分辨率光学系统。
[0090]
在一些示例的实施方式中，该光学系统的设计目标为mtf。调制传递函数(modulation transfer function,mtf)是评价光学系统性能的常用衡量标准，其描述的是光学系统在特定分辨率下将对比度从物体转移到图像的能力，当物分布和像分布完全一致
时mtf＝1，但光学系统中的每一个组件都难以避免地对图像产生误差，因此物分布和像分布完全一致基本不可能。在设计光学系统的过程中，每个组件对系统整体mtf的贡献应进行合理考虑，以提高成像质量。mtf的计算方法如下：
[0091][0092][0093]
其中，表示傅里叶变换；otf是光学传递函数(optical transfer function)，用于表征成像过程中调制度和横向相移的相对变化的函数；psf是点扩散函数(point spread function)，用于描述成像系统对点源或点对象的响应；(x,y)是psf的横向坐标和纵向坐标；ξ,η为mtf或otf的横向空间分辨率和纵向空间分辨率。
[0094]
光学系统的mtf通常采用正弦光栅测量，在偏离像场中心的位置，由沿切线方向的线条与沿径向方向的线条的正弦光栅所测得的mtf值是不同的。将平行于直径的线条产生的mtf曲线称为弧矢曲线，标为s(sagittal)，而将垂直于切线的线条产生的mtf曲线称为子午曲线，标为m(meridional)或t(tangential)。在公式(2)和(3)的计算方法中，弧矢曲线为mtf在中央的横向截线，子午曲线为mtf在中央的纵向截线，如公式(4)和(5)所示：
[0095]
s＝mtf(ξ,0)；(4)
[0096]
t＝mtf(0,η)；(5)。
[0097]
应理解，宽光谱的目标波段中不同波长的光强可以不一致。因此，可选地，本技术实施例中设计评价函数时，可以根据各波长的光强设置权重(例如，公式(1)中的wi值)。
[0098]
从原理上分析，psf是点光源经过光学系统后的光强分布，由于不同波长入射光的光强可以直接相加，所以宽光波段的点扩散函数为
[0099][0100]
公式(6)中，psfi为所述参考波长和所述主波长中任一波长λi下的点扩散函数，m为所述主波长和所述参考波长的数量之和。基于公式(6)获得目标波段(宽波段)的psf之后，可根据式(2)和(3)计算目标波段(宽波段)的mtf。
[0101]
更有利地，点扩散函数还满足：
[0102][0103]
其中，psfi为所述参考波长和所述主波长中任一波长λi下的点扩散函数；ni为任一波长λi的光强与总光强的占比。
[0104]
凭借公式(2)至(7)，本技术提供的光学系统的目标波段mtf的计算方法，并采用目标波段的mtf为设计目标，评价目标波段下光学系统的成像质量，此参数也可应用于评价函数的编写。然而，现有的光学设计软件(例如zemax或codev等)只能分析单个波长的mtf，并不能实现对光学系统在宽波段下的mtf的评价。
[0105]
步骤六、判断评价函数是否满足目标条件。若评价函数满足目标条件，则说明按当前方式配置超透镜的纳米结构能够使光学系统达到设计目标，此时即可输出纳米结构的结构参数、离散化排布以及离散相位分布。若不满足，则优化所述离散相位分布直至满足评价函数。
[0106]
示例性地，所述优化所述离散相位分布包括重配步骤，即重新配置纳米结构的结
构参数和/或离散化排布以更新光学系统在主波长之外的参考波长的调控相位直至重新配置的纳米结构使得光学系统在所述主波长和所述参考波长下的评价函数满足目标条件。示例性地，光学系统的设计目标为任一阈值，若当前系统的评价函数小于该阈值，则光学系统满足目标条件。
[0107]
根据本技术的实施方式，经过步骤三和步骤四后，超透镜在多波长下的离散相位分布已经确定，且该离散相位分布针对主波长具有较优的调控响应。可选地，步骤三和步骤四中确定的离散相位分布直接进行相位优化，使得离散相位分布在目标波段中主波长外的参考波长下也具备良好的光学响应。
[0108]
鉴于此，本技术实施例中所述优化所述离散相位分布还可选地包括拟合步骤，即将不同波长下的离散相位分布按照空间位置r拟合成连续函数的相位曲线。通过对拟合获得的连续相位进行优化，可以提高优化的效率，并能够针对各个波长生成对应的相位系数。本技术实施例能够通过拟合相位实现快速优化的原因是超透镜的纳米结构的尺寸为亚波长量级，拟合造成的相位变化影响较小。
[0109]
所述优化所述离散相位分布可以包括拟合步骤和/或重配步骤。当同时包括拟合步骤和重配步骤时，先执行拟合步骤，再执行重配步骤。例如，针对拟合步骤优化获得的连续的相位分布选取实际的结构单元进行匹配。此时，为了更好地符合多波长的相位，纳米结构数据库可以包括多种结构类型，例如圆柱、圆环等。此后，结构单元的排布方式将被重新调整，超透镜多波长的离散相位分布将进行更新。然后执行步骤五和六，判断是否进行下一轮迭代。
[0110]
本技术实施例示例性地提供超透镜的相位分布如以下公式(8)和公式(9)所示：
[0111][0112][0113]
其中，λ是入射光的波长，r是超透镜表面上任一纳米结构的中心到超透镜表面中心点的距离，(x，y)为超透镜表面坐标，n是多项式相位曲线的阶数，系数a和b分别是相位的各阶系数。由于本方案需要考虑宽谱光，因此不同波长λ下的相位系数a和b均会发生变化。
[0114]
更进一步地，在采用拟合步骤的方法中优化还可针对不同波长下的相位系数优化，此时变量少(相对于空间离散的全部相位值，这里只有几组相位系数)，且相位函数空间连续，适用于传统光学仿真软件，优化效率高。
[0115]
实施例1
[0116]
实施例1提供了一种示例的基于超透镜的光学系统的设计方法，该实施例针对光学系统的色散进行优化。实施例1中光学系统的架构如图2所示。图2中，沿入射光路依次排布滤光片10、光阑20和超透镜30，其中超透镜30的纳米结构朝向物侧。实施例1中光学系统的其余光学参数如表1所示。其中，滤光片10用于滤除820nm至870nm以外的入射光。该光学系统的优化目标为在820nm至870nm波段内空间频率10lp/mm内子午mtf和弧矢mtf的加权平均mtf大于0.7。
[0117]
表1
[0118]
工作波段820nm至870nm超透镜直径1.2mm
有效焦距1.6mm光阑半径0.6mm
[0119]
实施例1中选择850nm为主波长，选取820nm、830nm、840nm、860nm和870nm为参考波长。图3示出了在超透镜0-0.1mm的半径范围内采用圆柱形纳米结构的相位分布，连续曲线为连续相位对2π取余后的连续曲线，阶梯状折线为对应位置所匹配纳米结构单元的相位分布，在空间位置上离散。图3中的目标相位为理论上超透镜满足设计目标的相位分布(即主波长下的初始相位分布)，图3中的纳米柱相位为实际离散化配置的纳米结构的相位分布。由图3可知，根据本技术提供的设计方法，基于初始相位分布离散化配置纳米结构，从而获得的离散相位分布与理论上的目标相位分布吻合度较高。
[0120]
图4示出了图2中圆柱形纳米结构的离散相位分布根据本技术实施方式中步骤六优化后，在主波长及参考波长下的离散相位分布。如图4所示，不同波长下各纳米结构单元的电磁响应不同，因此调制的相位不同，各波长下的相位分布折线分离，本技术实施例提供的方法通过优化，使得超透镜中纳米结构对目标波段下不同波长的响应一致度高。换言之，本技术实施例提供的基于超透镜的光学系统的设计方抑制了光学系统在不同波长下成像的差异性，降低了光学系统的色散。
[0121]
表2示出了将离散相位分布以及相位梯度拟合成连续相位曲线后，优化获得的超透镜在各波长下的相位系数。表2中的相位系数可近似地应用到基于连续相位分布的传统光学设计软件之中。图5示出了超透镜在0至0.1mm范围内的离散相位分布的拟合结果。图6示出了超透镜在0.85mm至0.853mm范围内的离散相位分布的拟合结果，不同波长下分离的相位分布决定了拟合的相位曲线分离。对比图5和图6可得，在远离超透镜中心的区域，不同波长的相位曲线之间的间距更加明显。也就是说，沿着远离超透镜中心的方向，超透镜对不同波长的调控相位的差异增加，色散则越发明显。图7示出了，经过离散相位分布经过优化后，光学系统在不同波长下的成像性能。由图7可知，经过优化后，光学系统在不同波长下的mtf曲线均接近衍射极限，且弧矢mtf曲线与子午mtf曲线一致性高。综上所述，通过本技术实施例提高的基于超透镜的光学系统的设计方法设计的光学系统的成像性能优异，对不同波长响应的差异较小。
[0122]
表2
[0123]
[0124]
实施例2
[0125]
实施例2提供了又一种示例的基于超透镜的光学系统的设计方法，该实施例针对光学系统的mtf进行优化。实施例2中提供的光学系统中超透镜的直径为2.4mm，工作波段为560nm至870nm，设计目标为入射角视场下宽谱mtf大于0.6，其余光学参数与实施例1相同。图8示出了在入射角0
°
、10.95
°
、18.25
°
、25.55
°
、29.20
°
、32.85
°
和36.50
°
视场下针对不同波长的mtf曲线。由图8可知，本技术实施例提供的设计方法设计的光学系统在不同波长下的各视场的mtf曲线均大于0.6，且弧矢mtf曲线与子午mtf曲线一致性高。综上所述，通过本技术实施例提高的基于超透镜的光学系统的设计方法设计的光学系统的分辨率高，成像性能优异。
[0126]
上文结合图1至图8，详细描述了本技术实施例提供的基于超透镜的光学系统的设计方法，该方法也可以通过相应的装置实现，下面将结合图9和图10，详细描述本技术实施例提供的基于超透镜的光学系统的设计装置。
[0127]
图9示出了本技术实施例所提供的一种基于超透镜的光学系统的设计装置的结构示意图。如图9所示，该基于超透镜的光学系统的设计装置包括：输入模块，被配置为输入光学系统的目标波段、系统变量和评价函数；
[0128]
优化模块，被配置为计算和/或优化该光学系统中超透镜的相位；
[0129]
评价模块，被配置为计算该光学系统的评价函数；
[0130]
判断模块，被配置为判断该评价函数是否满足目标条件；
[0131]
输出模块，被配置为输出超透镜的纳米结构的结构参数、离散化排布以及离散相位分布。
[0132]
根据本技术的实施方式，计算和/或优化该光学系统的相位包括：
[0133]
基于主波长进行系统优化，得到光学系统中超透镜的初始相位分布；和/或，
[0134]
基于初始相位分布得到超透镜中纳米结构的离散相位分布；和/或，
[0135]
计算参考波长的调控相位。
[0136]
根据本技术的实施方式，如图10所示，该基于超透镜的光学系统的设计装置还包括：
[0137]
匹配模块，被配置为选择与初始相位分布匹配的纳米结构的结构参数；和/或，
[0138]
平衡模块，被配置为根据目标波段内不同波长的光强，设置评价函数中各个波长对应的权重。
[0139]
此外，本技术实施例还提供了一种电子设备，包括总线、收发器、存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，该收发器、该存储器和处理器分别通过总线相连，计算机程序被处理器执行时实现上述基于超透镜的光学系统的设计方法实施例的各个过程，且能达到相同的技术效果，为避免重复，这里不再赘述。
[0140]
具体的，参见图11所示，本技术实施例还提供了一种电子设备，该电子设备包括总线1110、处理器1120、收发器1130、总线接口1140、存储器1150和用户接口1160。
[0141]
在本技术实施例中，该电子设备还包括：存储在存储器1150上并可在处理器1120上运行的计算机程序，计算机程序被处理器1120执行时实现以下步骤：
[0142]
确定光学系统的目标波段，在目标波段中选取主波长和参考波长；
[0143]
确定光学系统的系统变量和评价函数；
[0144]
基于主波长进行系统优化，得到光学系统中超透镜的初始相位分布；
[0145]
基于初始相位分布，确定超透镜的纳米结构的结构参数并配置纳米结构的离散化排布，得到离散相位分布；
[0146]
将纳米结构在主波长和参考波长下的相位应用于光学系统中的超透镜，并计算主波长和参考波长下光学系统的评价函数；
[0147]
判断评价函数是否满足目标条件；
[0148]
若是，则输出纳米结构的结构参数、离散化排布以及离散相位分布；
[0149]
若否，则优化离散相位分布直至满足评价函数。
[0150]
可选地，计算机程序被处理器1120执行时还可实现以下步骤：
[0151]
直接进行离散相位优化；或者，
[0152]
将不同波长下的离散相位分布按空间位置拟合成连续函数的相位曲线，对拟合所得的连续相位进行优化。
[0153]
可选地，计算机程序被处理器1120执行“将纳米结构在多波长下的相位应用于所述光学系统中的超透镜，并计算光学系统在多波长下的评价函数”步骤时，使得处理器具体实现以下步骤：
[0154]
叠加目标波段中不同波长下的点扩散函数；
[0155]
基于目标波段中不同波长下的点扩散函数计算所述光学系统在目标波段下调制传递函数。
[0156]
根据本技术的实施方式，收发器1130用于在处理器1120的控制下接收和发送数据。
[0157]
本技术实施例中，总线架构(用总线1110来代表)，总线1110可以包括任意数量互联的总线和桥，总线1110将包括由处理器1120代表的一个或多个处理器与存储器1150代表的存储器的各种电路连接在一起。
[0158]
总线1110表示若干类型的总线结构中的任何一种总线结构中的一个或多个，包括存储器总线以及存储器控制器、外围总线、加速图形端口(accelerate graphical port，agp)、处理器或使用各种总线体系结构中的任意总线结构的局域总线。作为示例而非限制，这样的体系结构包括：工业标准体系结构(industry standard architecture，isa)总线、微通道体系结构(micro channel architecture，mca)总线、扩展isa(enhanced isa，eisa)总线、视频电子标准协会(video electronics standards association，vesa)、外围部件互连(peripheral component interconnect，pci)总线。
[0159]
处理器1120可以是一种集成电路芯片，具有信号处理能力。在实现过程中，上述方法实施例的各步骤可以通过处理器中硬件的集成逻辑电路或软件形式的指令完成。上述的处理器包括：通用处理器、中央处理器(central processing unit，cpu)、网络处理器(network processor，np)、数字信号处理器(digital signal processor，dsp)、专用集成电路(application specific integrated circuit，asic)、现场可编程门阵列(field programmable gate array，fpga)、复杂可编程逻辑器件(complex programmable logic device，cpld)、可编程逻辑阵列(programmable logic array，pla)、微控制单元(microcontroller unit，mcu)或其他可编程逻辑器件、分立门、晶体管逻辑器件、分立硬件组件。可以实现或执行本技术实施例中公开的各方法、步骤及逻辑框图。例如，处理器可以
rambus ram，drram)。本技术实施例描述的电子设备的存储器1150包括但不限于上述和任意其他适合类型的存储器。
[0166]
在本技术实施例中，存储器1150存储了操作系统1151和应用程序1152的如下元素：可执行模块、数据结构，或者其子集，或者其扩展集。
[0167]
具体而言，操作系统1151包含各种系统程序，例如：框架层、核心库层、驱动层等，用于实现各种基础业务以及处理基于硬件的任务。应用程序1152包含各种应用程序，例如：媒体播放器(media player)、浏览器(browser)，用于实现各种应用业务。实现本技术实施例方法的程序可以包含在应用程序1152中。应用程序1152包括：小程序、对象、组件、逻辑、数据结构以及其他执行特定任务或实现特定抽象数据类型的计算机系统可执行指令。
[0168]
此外，本技术实施例还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述基于超透镜的光学系统的设计方法实施例的各个过程，且能达到相同的技术效果，为避免重复，这里不再赘述。
[0169]
具体而言，计算机程序被处理器执行时可实现以下步骤：
[0170]
确定光学系统的光学参数；
[0171]
确定光学系统的系统变量和评价函数；
[0172]
基于目标波段的主波长进行系统优化，得到初始相位分布；
[0173]
基于初始相位分布，确定纳米结构的结构参数并配置纳米结构的离散化排布，得到离散相位分布；
[0174]
计算纳米结构的离散化排布对主波长之外的参考数量个参考波长的调控相位；
[0175]
将纳米结构在多波长下的相位应用于所述光学系统中的超透镜，并计算光学系统在多波长下的评价函数；所述多波长包括所述主波长和参考数量个参考波长；
[0176]
判断所述多波长下光学系统的评价函数是否满足目标条件；
[0177]
若是，则输出纳米结构的结构参数、离散化排布以及离散相位分布；
[0178]
若否，则优化离散相位分布直至满足评价函数；或者，
[0179]
重新配置纳米结构的结构参数和/或离散化排布并重新获得主波长之外的参考数量个参考波长的调控相位直至光学系统在多波长下的评价函数满足目标条件。
[0180]
可选地，计算机程序被处理器执行时还可实现以下步骤：
[0181]
直接进行离散相位优化；或者，
[0182]
将不同波长下的离散相位分布按空间位置拟合成连续函数的相位曲线，对拟合所得的连续相位进行优化。
[0183]
可选地，计算机程序被处理器执行“将纳米结构在多波长下的相位应用于所述光学系统中的超透镜，并计算光学系统在多波长下的评价函数”步骤时，使得处理器具体实现以下步骤：
[0184]
叠加目标波段中不同波长下的点扩散函数；
[0185]
基于目标波段中不同波长下的点扩散函数计算所述光学系统在目标波段下调制传递函数。
[0186]
计算机可读存储介质包括：永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体，是可以保留和存储供指令执行设备所使用指令的有形设备。计算机可读存储介质包括：电子存储设备、磁存储设备、光存储设备、电磁存储设备、半导体存储设备以及上述任意合适的组合。计
算机可读存储介质包括：相变内存(pram)、静态随机存取存储器(sram)、动态随机存取存储器(dram)、其他类型的随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)、非易失性随机存取存储器(nvram)、电可擦除可编程只读存储器(eeprom)、快闪记忆体或其他内存技术、光盘只读存储器(cd-rom)、数字多功能光盘(dvd)或其他光学存储、磁盒式磁带存储、磁带磁盘存储或其他磁性存储设备、记忆棒、机械编码装置(例如在其上记录有指令的凹槽中的穿孔卡或凸起结构)或任何其他非传输介质、可用于存储可以被计算设备访问的信息。按照本技术实施例中的界定，计算机可读存储介质不包括暂时信号本身，例如无线电波或其他自由传播的电磁波、通过波导或其他传输介质传播的电磁波(例如穿过光纤电缆的光脉冲)或通过导线传输的电信号。
[0187]
在本技术所提供的几个实施例中，应该理解到，所披露的装置、电子设备和方法，可以通过其他的方式实现。例如，以上描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述模块或单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另外，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口、装置或单元的间接耦合或通信连接，也可以是电的、机械的或其他的形式连接。
[0188]
所述作为分离部件说明的单元可以是或也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或也可以不是物理单元，既可以位于一个位置，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或全部单元来解决本技术实施例方案要解决的问题。
[0189]
另外，在本技术各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以是两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
[0190]
所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读存储介质中。基于这样的理解，本技术实施例的技术方案本质上或者说对现有技术作出贡献的部分，或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(包括：个人计算机、服务器、数据中心或其他网络设备)执行本技术各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而上述存储介质包括如前述所列举的各种可以存储程序代码的介质。
[0191]
以上所述，仅为本技术实施例的具体实施方式，但本技术实施例的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本技术实施例披露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本技术实施例的保护范围之内。因此，本技术实施例的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

技术特征：
1.一种基于超透镜的光学系统的设计方法，其特征在于，所述方法包括：确定所述光学系统的目标波段，在所述目标波段中选取主波长和参考波长；确定所述光学系统的系统变量和评价函数；基于所述主波长进行系统优化，得到所述光学系统中超透镜的初始相位分布；基于所述初始相位分布，确定所述超透镜的纳米结构的结构参数并配置所述纳米结构的离散化排布，得到离散相位分布；将所述纳米结构在所述主波长和所述参考波长下的相位应用于所述光学系统中的超透镜，并计算所述主波长和所述参考波长下所述光学系统的评价函数；判断所述评价函数是否满足目标条件；若是，则输出所述纳米结构的结构参数、所述离散化排布以及所述离散相位分布；若否，则优化所述离散相位分布直至满足评价函数。2.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述主波长的数量为1，所述参考波长的数量大于或等于1；所述主波长为所述目标波段的中心波长。3.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述优化所述离散相位分布包括：将不同波长下的离散相位分布按空间位置拟合成连续函数的相位曲线，对拟合所得的连续相位进行优化。4.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述优化所述离散相位分布包括：重新配置所述纳米结构的结构参数和/或离散化排布并重新获得所述参考波长的调控相位直至所述光学系统在所述主波长和所述参考波长下的评价函数满足目标条件。5.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述优化所述离散相位分布还包括：针对不同波长下超透镜的离散相位分布的相位系数进行优化。6.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述系统变量包括光学系统中透镜的间距、透镜的曲率、透镜的厚度、超透镜各阶相位系数中的任意一个或多个的组合。7.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述评价函数至少满足：其中，mf为评价函数，v
i
表示各个系统变量的实际值，t
i
表示各个系统变量的目标值，w
i
表示各项系统变量的权重因子。8.根据权利要求1或7所述的设计方法，其特征在于，所述评价函数的目标值包括调制传递函数、相对照度、均方根弥散斑、纳米结构的相位偏差、像差和色散中的任意一个或多个的组合。9.根据权利要求6所述的设计方法，其特征在于，当所述光学系统中同时包括折射透镜和超透镜时，所述折射透镜的曲率和透镜为变量，所述超透镜的曲率和厚度为定值。10.根据权利要求1或7所述的设计方法，其特征在于，计算所述评价函数包括根据主波长和所述参考波长的光强设置权重。11.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述光学系统的点扩散函数满足：
其中，psf
i
为所述参考波长和所述主波长中的任一波长λ
i
下的点扩散函数；m为所述主波长和所述参考波长的数量之和。12.根据权利要求11所述的设计方法，其特征在于，所述点扩散函数还满足：其中，psf
i
为所述参考波长和所述主波长中任一波长λ
i
下的点扩散函数；n
i
为任一波长λ
i
的光强与总光强的占比。13.一种基于超透镜的光学系统的设计装置，其特征在于，应用于如权利要求1-12任一所述的设计方法，所述设计装置包括：输入模块，被配置为输入光学系统的目标波段、系统变量和评价函数；优化模块，被配置为计算和/或优化所述光学系统中超透镜的相位；评价模块，被配置为计算所述光学系统的评价函数；判断模块，被配置为判断所述评价函数是否满足目标条件；输出模块，被配置为输出所述超透镜的纳米结构的结构参数、离散化排布以及离散相位分布。14.根据权利要求13所述的设计装置，其特征在于，所述计算和/或优化所述光学系统的相位包括：基于目标波段的主波长进行系统优化，得到光学系统中超透镜的初始相位分布；和/或，基于初始相位分布得到所述超透镜的纳米结构的离散相位分布；和/或，计算参考数量个参考波长的调控相位。15.根据权利要求13所述的设计装置，其特征在于，所述设计装置还包括：匹配模块，被配置为选择与所述初始相位分布匹配的纳米结构的结构参数；和/或平衡模块，被配置为根据目标波段内不同波长的光强，设置评价函数中各个波长对应的权重。16.一种电子设备，包括总线、收发器、存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述收发器、所述存储器和所述处理器通过所述总线相连，所述计算机程序被所述处理器执行时实现根据权利要求1-12中任一所述的方法中的步骤。17.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现根据权利要求1-12中任一所述的方法中的步骤。

技术总结
本申请实施例提供了一种基于超透镜的光学系统的设计方法、装置及电子设备，属于光学系统的技术领域。该方法通过基于主波长下的初始相位分布获得超透镜的纳米结构的离散化配置，再针对超透镜的纳米结构的离散化配置及离散相位分布的优化，使优化所得的超透镜在宽谱的成像质量高于传统优化方法所得的超透镜。该基于超透镜的光学系统的设计方法、装置及电子设备针对超透镜的离散相位分布进行优化，有效抑制了包含超透镜的光学系统在不同波长下的成像效果的差异。成像效果的差异。成像效果的差异。


技术研发人员：陈建发 郝成龙 谭凤泽 朱健
受保护的技术使用者：深圳迈塔兰斯科技有限公司
技术研发日：2023.07.14
技术公布日：2023/9/20