【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于超构表面和光学元件，具体涉及一种双焦点大视场消色差超构透镜的设计方法。
技术介绍
1、超构表面是一类由亚波长结构构成的二维人工器件，可以在两种介质表面引入突变相位灵活地操纵电磁波地偏振、振幅和相位等参数，从而实现电磁波地异常折射和反射。同时，透镜作为光学系统中最重要的光学元件，各种形状以及材料的透镜被人们广泛的研究并应用于实际的成像系统中。传统的球面和非球面透镜都是利用相位的累积变化实现光波波前调控，因此整个透镜具有较大的厚度和重量。并且由于制造工艺的影响，很难实现完全的球面或任意曲面，这就导致光学成像中各种像差的存在。因此，一般需要多片不同面型和材料的透镜进行组合来消除某些像差的影响。作为超构表面重要的应用之一，超构透镜可以通过每个纳米单元结构实现相位的精确控制，达到波前的精准调控。
2、现有技术中超构透镜单元结构的选择一般是通过大量的仿真构建相位数据集，计算资源占用较高；在部分应用场景中，为实现多功能复用，通常需要将多个超透镜级联或采用多层设计，增大了系统体积和设计加工难度；基于双曲相位分布设计的超构透镜视场范围小；多功能复用超构透镜在设计后焦距固定无法进行变换。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于解决超构透镜设计过程中计算资源占用过高、视场范围小、设计后焦距固定无法变换等问题提供了一种实现双焦点大视场消色差超构透镜的设计方法。
2、本专利技术利用光迹追踪算法对超构透镜的相位分布进行设计，通过粒子群-遗传算法进行结构匹配优化，实现不同偏
3、本专利技术解决其技术问题具体采用的技术方案是：
4、一种双焦点大视场消色差超构透镜的设计方法，其特征在于，利用光迹追踪算法对超构透镜的相位分布进行设计，通过粒子群-遗传算法进行结构匹配优化，以实现不同偏振下双通道大视场消色差聚焦。
5、进一步地，包括以下步骤：
6、步骤s1：确定超构透镜的设计目标；
7、步骤s2：利用光线追迹算法优化超构透镜的相位分布；
8、步骤s3：利用时域有限差分算法仿真建立纳米结构-相位库；
9、步骤s4：利用粒子群-遗传算法根据相位库对相位分布进行优化并确定目标单元结构的空间位置。
10、进一步地，还包括步骤s5：在建立超构透镜模型后，通过时域有限差分算法仿真验证超构透镜聚焦性能。
11、进一步地，步骤s1中，确定包括超构透镜的工作波长、聚焦焦距、半径、数值孔径、孔径光阑大小、视场角的参数。
12、进一步地，在步骤s2中，利用光线追迹算法，通过选取目标函数针对不同的工作波长以及焦距进行循环优化，以获得超构透镜表面的相位轮廓。
13、进一步地，在步骤s2中，使用zemax优化得到理想的大视场相位轮廓，在zemax中，二元光学面的相位函数模型为：
14、
15、其中，n为多项式展开项数,ai为二元面系数，r为二元面的归一化半径，r为超构透镜半径。
16、进一步地，在步骤s3中，通过建立结构单元库，结构单元库包括多种结构单元，结构单元包括衬底和柱状结构；对结构单元库中的每个结构单元进行仿真，并提取得到每个结构单元的传输相位，构建纳米结构-相位库。
17、进一步地，由光学设计优化得到的理想大视场相位分布表示为如下形式：
18、
19、
20、其中，cx(λi)和cy(λi)为引入的优化因子常数，仅与入射波长有关，λ为波长。
21、进一步地，在步骤s4中，利用粒子群-遗传算法，求取c(λi)的最优解，包括：
22、初始化粒子群，在搜索空间中随机生成种群的位置与速度，代入cx(λi)与cy(λi)并计算适应度值记录下全局最佳的适应度值和个体最佳的适应度值；根据速度更新公式和位置更新公式更新种群速度和位置；在新的粒子群中选择部分粒子进行遗传算法的交叉、变异操作，更新适应度值进行循环迭代得到cx(λi)与cy(λi)的最优解；
23、在每个空间位置满足超构透镜的相位，以校正像差和色差。
24、进一步地，将相位误差定义为适应度函数，计算公式如下：
25、
26、
27、
28、其中，是理想相位，是实际相位。
29、相比于现有技术，本专利技术及其优选方案具有以下有益效果：
30、1)利用优化算法减少了对庞大数据集的依赖；
31、2)采用单层结构实现了多波长的消色差，实现大视场范围内共平面聚焦；
32、3)不通过改变超构透镜结构实现长短两种焦距的大视场消色差聚焦。
33、本专利技术的设计方法可以通过选择不同的材料与结构实现在不同的波段下使用，可用于成像、通讯以及检测等领域。
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1.一种双焦点大视场消色差超构透镜的设计方法，其特征在于，利用光迹追踪算法对超构透镜的相位分布进行设计，通过粒子群-遗传算法进行结构匹配优化，以实现不同偏振下双通道大视场消色差聚焦。
2.根据权利要求1所述的一种双焦点大视场消色差超构透镜的设计方法，其特征在于：包括以下步骤：
3.根据权利要求2所述的一种双焦点大视场消色差超构透镜的设计方法，其特征在于：还包括步骤S5：在建立超构透镜模型后，通过时域有限差分算法仿真验证超构透镜聚焦性能。
4.根据权利要求2所述的一种双焦点大视场消色差超构透镜的设计方法，其特征在于：步骤S1中，确定包括超构透镜的工作波长、聚焦焦距、半径、数值孔径、孔径光阑大小、视场角的参数。
5.根据权利要求2所述的一种双焦点大视场消色差超构透镜的设计方法，其特征在于：在步骤S2中，利用光线追迹算法，通过选取目标函数针对不同的工作波长以及焦距进行循环优化，以获得超构透镜表面的相位轮廓。
6.根据权利要求2所述的一种双焦点大视场消色差超构透镜的设计方法，其特征在于：
7.根据权利要求6所述的一种
8.根据权利要求7所述的一种双焦点大视场消色差超构透镜的设计方法，其特征在于：
9.根据权利要求8所述的一种双焦点大视场消色差超构透镜的设计方法，其特征在于：
10.根据权利要求9所述的一种双焦点大视场消色差超构透镜的设计方法，其特征在于：
...【技术特征摘要】
1.一种双焦点大视场消色差超构透镜的设计方法，其特征在于，利用光迹追踪算法对超构透镜的相位分布进行设计，通过粒子群-遗传算法进行结构匹配优化，以实现不同偏振下双通道大视场消色差聚焦。
2.根据权利要求1所述的一种双焦点大视场消色差超构透镜的设计方法，其特征在于：包括以下步骤：
3.根据权利要求2所述的一种双焦点大视场消色差超构透镜的设计方法，其特征在于：还包括步骤s5：在建立超构透镜模型后，通过时域有限差分算法仿真验证超构透镜聚焦性能。
4.根据权利要求2所述的一种双焦点大视场消色差超构透镜的设计方法，其特征在于：步骤s1中，确定包括超构透镜的工作波长、聚焦焦距、半径、数值孔径、孔径光阑大小、视场角的参数。
5.根据权利要求2所述的一种双焦点大视场消色差超构透镜的设计方法，其特征在于：在步骤s2中...
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