本發(fā)明涉及光學(xué)超表面領(lǐng)域，特別是涉及一種折-超混合透鏡組設(shè)計(jì)和優(yōu)化方法。

背景技術(shù)：

1、超表面(metasurface)是一種由亞波長(zhǎng)尺度的人工結(jié)構(gòu)單元陣列所構(gòu)成的二維平面結(jié)構(gòu)。該技術(shù)通過(guò)離散排布的超構(gòu)原子，可以對(duì)光波的偏振態(tài)、相位、振幅等物理參量同時(shí)進(jìn)行高效的調(diào)控，實(shí)現(xiàn)對(duì)光場(chǎng)的任意操控。超表面技術(shù)已經(jīng)在許多領(lǐng)域得到應(yīng)用，例如超大數(shù)值孔徑超透鏡等。

2、超透鏡是一種應(yīng)用超表面技術(shù)的光學(xué)器件，利用超表面進(jìn)行高自由度波前調(diào)控，實(shí)現(xiàn)由傳統(tǒng)復(fù)雜透鏡組達(dá)成的功能。該技術(shù)可用于提升成像系統(tǒng)的工作帶寬、數(shù)值孔徑等性能指標(biāo)，并實(shí)現(xiàn)成像系統(tǒng)的輕量化。

3、基于傳統(tǒng)折射透鏡的設(shè)計(jì)方法存在的不足主要有：無(wú)法有效校正寬波段內(nèi)的色差，導(dǎo)致成像質(zhì)量隨波長(zhǎng)變化而下降；以及在追求高數(shù)值孔徑時(shí)，透鏡組變得復(fù)雜且笨重，難以實(shí)現(xiàn)輕量化。如何在保持成像系統(tǒng)緊湊和輕便的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)寬波段的高性能消色差成像，是透鏡組設(shè)計(jì)面臨的一大挑戰(zhàn)。

4、需要說(shuō)明的是，在上述背景技術(shù)部分公開(kāi)的信息僅用于對(duì)本申請(qǐng)的背景的理解，因此可以包括不構(gòu)成對(duì)本領(lǐng)域普通技術(shù)人員已知的現(xiàn)有技術(shù)的信息。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的主要目的在于解決上述背景技術(shù)中存在的問(wèn)題，提供一種折-超混合透鏡組設(shè)計(jì)和優(yōu)化方法。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

3、一種折-超混合透鏡組設(shè)計(jì)和優(yōu)化方法，包括以下步驟：

4、s1、建立折-超混合透鏡組成像模型，該模型為透鏡組中的折射透鏡和超透鏡分配不同功能，其中折射透鏡實(shí)現(xiàn)光線聚焦，而超透鏡調(diào)節(jié)光線角度和校正色差；

5、s2、根據(jù)所述折-超混合透鏡組成像模型，設(shè)計(jì)折射透鏡，并構(gòu)造用以實(shí)現(xiàn)精確控制光線的超透鏡的相位輪廓；

6、s3、利用光線追跡技術(shù)，構(gòu)建用于評(píng)估成像模型的性能的評(píng)價(jià)函數(shù)；通過(guò)該評(píng)價(jià)函數(shù)，優(yōu)化超透鏡在多個(gè)工作波段的相位輪廓，以實(shí)現(xiàn)理想的成像性能；

7、s4、在步驟s3確定的多個(gè)工作波段的理想相位輪廓基礎(chǔ)上，計(jì)算構(gòu)成超透鏡的超構(gòu)原子所需的相位響應(yīng)，并將所述相位響應(yīng)解耦為與頻率無(wú)關(guān)的部分和與頻率相關(guān)的部分，以實(shí)現(xiàn)超透鏡在寬波段內(nèi)的高性能成像。

8、進(jìn)一步地，在步驟s1中，所述折射透鏡的功能為承擔(dān)透鏡組的主要光焦度，所述超透鏡具備兩個(gè)功能：擔(dān)任透鏡組的光闌，承擔(dān)一定的光焦度以調(diào)節(jié)入射光線的角度，減小光線與折射透鏡表面交點(diǎn)處的法線梯度，提升光線追跡精度；校正折射透鏡的軸向色差和不同工作波段的球差。

9、進(jìn)一步地，在步驟s1中，設(shè)計(jì)折射透鏡時(shí)，計(jì)算并約束折射透鏡的四階和六階球差系數(shù)。

10、進(jìn)一步地，步驟s2中，對(duì)于超透鏡的球差校正功能，通過(guò)校正相位實(shí)現(xiàn)，其相位輪廓通過(guò)下述公式表征：

11、

12、其中ρ為超透鏡表面極坐標(biāo)的極徑；θ為超透鏡表面極坐標(biāo)的極角；ai為校正相位輪廓中第i項(xiàng)多項(xiàng)式的系數(shù)。

13、進(jìn)一步地，步驟s2中，對(duì)于超透鏡的聚焦功能和軸向色差校正功能，通過(guò)軸向調(diào)節(jié)相位實(shí)現(xiàn)，其相位輪廓通過(guò)下述公式表征：

14、

15、其中λm為設(shè)定的第m個(gè)工作波長(zhǎng)；s為物距；s′為像距。

16、進(jìn)一步地，步驟s2中，根據(jù)超透鏡功能構(gòu)造相位輪廓時(shí)，采用具有變量的函數(shù)替代顯性函數(shù)。

17、進(jìn)一步地，對(duì)超透鏡的軸向調(diào)節(jié)相位進(jìn)行泰勒展開(kāi)，并保留前十項(xiàng)，超透鏡的最終相位輪廓由校正相位和軸向調(diào)節(jié)相位疊加所確定，通過(guò)下述公式表征：

18、

19、其中ρ為超透鏡表面極坐標(biāo)的極徑；θ為超透鏡表面極坐標(biāo)的極角；bi為超透鏡相位輪廓中第i項(xiàng)多項(xiàng)式的系數(shù)。

20、進(jìn)一步地，步驟s3中，根據(jù)折射透鏡的像差選擇超透鏡相位輪廓系數(shù)初始值，對(duì)超透鏡的相位輪廓系數(shù)進(jìn)行分批次優(yōu)化，并在多個(gè)工作波段進(jìn)行采樣計(jì)算。

21、進(jìn)一步地，步驟s4中，基于多個(gè)波段的理想相位輪廓，將超構(gòu)原子的空間坐標(biāo)代入多個(gè)工作波段的理想相位輪廓，以二階擬合的方法對(duì)超構(gòu)原子需求的相位響應(yīng)進(jìn)行解耦，通過(guò)下述公式表征：

22、

23、其中ρ為超透鏡表面極坐標(biāo)的極徑；θ為超透鏡表面極坐標(biāo)的極角；為坐標(biāo)(ρ,θ)處的超構(gòu)原子的相位響應(yīng)；ωc為超透鏡工作的中心波段；a和b為擬合系數(shù)。

24、一種計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品，包括計(jì)算機(jī)程序，，所述計(jì)算機(jī)程序由處理器執(zhí)行時(shí)實(shí)現(xiàn)所述的折-超混合透鏡組設(shè)計(jì)和優(yōu)化方法。

25、本發(fā)明的有益效果：

26、本發(fā)明提出了一種折-超混合透鏡組設(shè)計(jì)和優(yōu)化方案，提高了設(shè)計(jì)過(guò)程中光線追跡的精度和求解穩(wěn)定性；同時(shí)實(shí)現(xiàn)了高性能消色差透鏡的設(shè)計(jì)。

27、與現(xiàn)有的基于傳統(tǒng)折射透鏡的設(shè)計(jì)方法相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：通過(guò)超透鏡，補(bǔ)償了折射透鏡固有的色散特性，實(shí)現(xiàn)寬波段消色差；通過(guò)超透鏡的相位調(diào)制，減小光線與折射透鏡表面交點(diǎn)處的法線梯度，提升光線追跡精度并校正折射透鏡在不同波段的像差，優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程并提升透鏡的性能。

28、本發(fā)明實(shí)施例中的其他有益效果將在下文中進(jìn)一步述及。

技術(shù)特征：

1.一種折-超混合透鏡組設(shè)計(jì)和優(yōu)化方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.如權(quán)利要求1所述的折-超混合透鏡組設(shè)計(jì)和優(yōu)化方法，其特征在于，在步驟s1中，所述折射透鏡的功能為承擔(dān)透鏡組的主要光焦度，所述超透鏡具備兩個(gè)功能：擔(dān)任透鏡組的光闌，承擔(dān)一定的光焦度以調(diào)節(jié)入射光線的角度，減小光線與折射透鏡表面交點(diǎn)處的法線梯度，提升光線追跡精度；校正折射透鏡的軸向色差和不同工作波段的球差。

3.如權(quán)利要求2所述的折-超混合透鏡組設(shè)計(jì)和優(yōu)化方法，其特征在于，在步驟s1中，設(shè)計(jì)折射透鏡時(shí)，計(jì)算并約束折射透鏡的四階和六階球差系數(shù)。

4.如權(quán)利要求2所述的折-超混合透鏡組設(shè)計(jì)和優(yōu)化方法，其特征在于，步驟s2中，對(duì)于超透鏡的球差校正功能，通過(guò)校正相位實(shí)現(xiàn)，其相位輪廓通過(guò)下述公式表征：

5.如權(quán)利要求2所述的折-超混合透鏡組設(shè)計(jì)和優(yōu)化方法，其特征在于，步驟s2中，對(duì)于超透鏡的聚焦功能和軸向色差校正功能，通過(guò)軸向調(diào)節(jié)相位實(shí)現(xiàn)，其相位輪廓通過(guò)下述公式表征：

6.如權(quán)利要求1所述的折-超混合透鏡組設(shè)計(jì)和優(yōu)化方法，其特征在于，步驟s2中，根據(jù)超透鏡功能構(gòu)造相位輪廓時(shí)，采用具有變量的函數(shù)替代顯性函數(shù)。

7.如權(quán)利要求6所述的折-超混合透鏡組設(shè)計(jì)和優(yōu)化方法，其特征在于，對(duì)超透鏡的軸向調(diào)節(jié)相位進(jìn)行泰勒展開(kāi)，并保留前十項(xiàng)，超透鏡的最終相位輪廓由校正相位和軸向調(diào)節(jié)相位疊加所確定，通過(guò)下述公式表征：

8.如權(quán)利要求1所述的折-超混合透鏡組設(shè)計(jì)和優(yōu)化方法，其特征在于，步驟s3中，根據(jù)折射透鏡的像差選擇超透鏡相位輪廓系數(shù)初始值，對(duì)超透鏡的相位輪廓系數(shù)進(jìn)行分批次優(yōu)化，并在多個(gè)工作波段進(jìn)行采樣計(jì)算。

9.如權(quán)利要求1所述的折-超混合透鏡組設(shè)計(jì)和優(yōu)化方法，其特征在于，步驟s4中，基于多個(gè)波段的理想相位輪廓，將超構(gòu)原子的空間坐標(biāo)代入多個(gè)工作波段的理想相位輪廓，以二階擬合的方法對(duì)超構(gòu)原子需求的相位響應(yīng)進(jìn)行解耦，通過(guò)下述公式表征：

10.一種計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品，包括計(jì)算機(jī)程序，其特征在于，所述計(jì)算機(jī)程序由處理器執(zhí)行時(shí)實(shí)現(xiàn)如權(quán)利要求1至9任一項(xiàng)所述的折-超混合透鏡組設(shè)計(jì)和優(yōu)化方法。

技術(shù)總結(jié)
一種折?超混合透鏡組設(shè)計(jì)和優(yōu)化方法，包括：S1、建立折?超混合透鏡成像模型，并為透鏡組中的折射透鏡和超透鏡分配不同的功能；S2、根據(jù)成像模型設(shè)計(jì)折射透鏡并構(gòu)造超透鏡的相位輪廓；S3、根據(jù)光線追跡構(gòu)建計(jì)算成像模型中的評(píng)價(jià)函數(shù)，優(yōu)化超透鏡在多個(gè)工作波段的理想相位輪廓；S4、根據(jù)超透鏡在多個(gè)波段的理想相位輪廓，計(jì)算超構(gòu)原子所需的相位響應(yīng)，將其解耦為頻率無(wú)關(guān)的部分和頻率相關(guān)的部分。本發(fā)明為基于寬波段顯微術(shù)的折?超混合透鏡組設(shè)計(jì)和優(yōu)化方案，是一種新的超透鏡相位輪廓構(gòu)造和優(yōu)化方法，其提高了設(shè)計(jì)過(guò)程中光線追跡的精度和求解穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)大孔徑光束的高精度消色差匯聚。

技術(shù)研發(fā)人員：程雪岷,柯劍寒,蔡中華,應(yīng)珂臻
受保護(hù)的技術(shù)使用者：清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/11/26