【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及超构透镜设计方法，具体的，涉及一种超构透镜设计方法。
技术介绍
1、传统光学透镜由于器件材料存在色散效应，在宽带入射光下存在色差问题，由色散引起的色差还会对光学成像系统造成不利影响，严重降低聚焦效率和成像质量。同时，传统的消色差设计方法是通过级联多个具有不同曲面的光学透镜来实现，这种方法会增加光学系统的体积、重量、复杂度和成本，在类似于核工业、医学等需要耐高温、辐射以及轻量集成的成像领域不大适用。
2、为了提供更清晰的图像、减小图像的彩色边缘，国内外的研究者提出了各种宽带消色差超构透镜的设计方案。随着超构表面在光场调控方面研究的深入，超构透镜受到了广泛关注，基于超构表面原理设计的超构透镜，以其平坦、轻薄以及通过亚波长尺寸微元结构高效控制光波振幅、相位、偏振和频率等特性的能力而闻名。其由亚波长微元阵列组成，天然不具备球差，具有较高的调控自由度和超薄的厚度，便于对光学器件进行集成化和微型化的同时，同时具有宽带的消色差聚焦性能。并且因为具有结构轻薄、衍射效率高、适用光谱范围广的特点，同时可采用硅、锗等材料制作，所以超构透镜能够适用于高温、高辐射等极端环境，为微型化、高性能，适用于核设施环境的成像检测设备研究奠定坚实基础。
3、然而，现有超构透镜设计方法大多是从理想透镜相位公式出发，计算超构透镜相位以及设计超构透镜结构，这种方法受限于微元结构有限的电磁调控能力，随着透镜口径增大，微元结构无法同时满足多波长的相位调控要求，因此难以获得大口径的、宽带、高衍射效率的消色差超构透镜。
1、本专利技术提出一种超构透镜设计方法，根据聚焦要求，对透镜相位进行逆向设计，同时评价相位是否有合适的微元结构进行匹配，通过不断优化，最终使每个超构透镜单元匹配相位更加符合聚焦需求、更贴合实际拥有微元结构所能调控相位，进而可以使设计的超构透镜在材料以及工艺的限制范围内，拥有更大的口径、更宽的工作波段的消色差性能。
2、本专利技术的技术方案如下：
3、一种超构透镜设计方法，包括如下步骤：
4、s100：确定适宜的材料作为宽波段消色差超构透镜的基底、微元结构，并且确定透镜大小、焦距以及工作波段；
5、s200：利用逆向优化算法对超构透镜相位排布进行逆向设计；
6、s300：将优化获得的相位导入微元结构数据库进行匹配获得实际的匹配相位，对实际匹配相位的聚焦性能进行评价，判断是否满足设计要求，如果不满足设计要求则返回s200重新优化相位，如果满足设计要求进入s400；
7、s400：将匹配的微元按照对应相位排布后，进行仿真验证；
8、s500：通过仿真验证，完成设计。
9、进一步的，步骤s100中的工作波段确定方法为：
10、确定超构透镜工作波段的扫描范围，基于计算机性能，从连续的工作波段中选取离散的若干个波长作为模拟计算波长。
11、进一步的，步骤s100中的透镜微元的基底确定方法为：
12、将透镜微元的基底长宽作为微元的周期。
13、进一步的，步骤s100中的透镜大小确定方法：
14、根据微元个数确定所设计的超构透镜大小。
15、进一步的，步骤s100中的微元结构及材料确定方法为：
16、s110：基底和纳米柱均选选择光学透镜常用材料；
17、s120：微元类型分为五种：正方形柱、圆柱、圆环柱、单基底承载四个矩形柱以及单基底承载四个圆柱，矩形柱和圆柱的几何参数分别为边长l与半径r，圆环柱的几何参数为内径r1与外径r2，而后两者与单独矩形柱、圆柱的几何参数相一致。
18、进一步的，步骤s200中的逆向优化算法包括：
19、s210：优化透镜相位面；
20、s220：用微元数据库填入优化好的相位面；
21、s230：将优化完成相位面填入微元结构后，所组成超构透镜对入射光场进行波前调制；
22、s240：不同波长的入射光通过超构透镜调制，在聚焦平面获得对应的聚焦光场；
23、s250：利用损失函数计算实际聚焦平面光场与理想聚焦平面光场之间的损失；
24、s260：通过反向迭代回到步骤s210。
25、进一步的，步骤s230的调制方法包括：
26、将第i个波长的入射光场uin_i(x,y)经过超构透镜后，可获取超构透镜后表面处出射光场uout_i(x,y)，则对相位的调制过程公式为：
27、其中，uout_i(x,y)及uin_i(x,y)分别对应第i个波长下输出和输入光场复振幅，j为虚数单位；
28、表示透镜对输入光场的相位调控，当计算出实际输出光场与理想输出光场之间的损失后，再根据损失使用梯度下降算法反向更新所需调控的相位
29、进一步的，步骤s250中的损失函数计算公式为：
30、loss＝loss1+loss2；
31、
32、其中，loss1表示计算经超表面调制后的第i个波长对应的出射光在目标衍射平面上的光场分布与对应第i个波长的设定目标光场之间差的平方，再将不同波长下所求得值求和得到loss1，表示第i个波长在聚焦平面的理想复振幅分布，定义为入射光通过超构透镜后在聚焦平面的理想分布，该分布的特征在于所有能量汇聚于指定区域；
33、loss2用于评估实际所实际拥有微元所调控相位与设计相位面的匹配程度，返回对应的损失值，与分别表示对应空间位置(x,y)处，第i个波长下的优化相位以及所实际拥有微元的相位，表示对应空间位置(x,y)处，实际拥有微元在第i个波长下的透过率。
34、进一步的，步骤s400中的验证方法包括：
35、s410：选定工作波长、焦距、微元周期、高度、透镜大小及对应的数值孔径的消色差超构透镜，不同波长的入射光经设计器件后得到的x-z平面的光强分布、焦平面处光强分布以及二维归一化强度分布曲线图；
36、s420：再设置聚焦效率的评价大小，得到超构透镜在不同波长下聚焦效率分布图与各波长下超透镜的焦距偏移分布图，进行分析；
37、s430：在上述小尺寸超透镜的基础上，尝试进一步扩大超透镜的尺寸，并尝试降低超透镜的数值孔径以减缓对微元调控能力的需求，得到的x-z平面的光强分布、焦平面处光强分布以及二维归一化强度分布曲线图；
38、s440：再设置聚焦效率的评价大小后，得到超构透镜在不同波长下聚焦效率分布图及各波长下超透镜的焦距偏移分布图，进行分析；
39、s450：将此参数放入电磁场矢量分析软件中，建立完整的超构透镜并使用矢量衍射进行仿真验证，观测出射光场的分布。
40、本专利技术的工作原理及有益效果为：
41、本专利技术公开了一种端到端的消色差超构透镜逆向设计方法，通过标量衍射理论分析、超构透镜理论以及梯度下降算法分析，优化得到宽波段、本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种超构透镜设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.如权利要求1所述的一种超构透镜设计方法，其特征在于，步骤S100中的工作波段确定方法为：
3.根据权利要求2所述的一种超构透镜设计方法，其特征在于，步骤S100中的透镜微元的基底确定方法为：
4.根据权利要求3所述的一种超构透镜设计方法，其特征在于，步骤S100中的透镜大小确定方法：
5.根据权利要求4所述的一种超构透镜设计方法，其特征在于，步骤S100中的微元结构及材料确定方法为：
6.根据权利要求1或2或3或4或5所述的一种超构透镜设计方法，其特征在于，步骤S200中的逆向优化算法包括：
7.根据权利要求6所述的一种超构透镜设计方法，其特征在于，步骤S230的调制方法包括：
8.根据权利要求7所述的一种超构透镜设计方法，其特征在于，步骤S250中的损失函数计算公式为：
9.根据权利要求1或2或3或4或5所述的一种超构透镜设计方法，其特征在于，步骤S400中的验证方法包括：
【技术特征摘要】
1.一种超构透镜设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.如权利要求1所述的一种超构透镜设计方法，其特征在于，步骤s100中的工作波段确定方法为：
3.根据权利要求2所述的一种超构透镜设计方法，其特征在于，步骤s100中的透镜微元的基底确定方法为：
4.根据权利要求3所述的一种超构透镜设计方法，其特征在于，步骤s100中的透镜大小确定方法：
5.根据权利要求4所述的一种超构透镜设计方法，其特征在于，步骤s100中的微元...
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