【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种结合超构透镜及传统折射镜头的混合光学系统设计方法，属于光学超构透镜。
技术介绍
1、超构表面是近年来新兴的一种基于广义斯涅耳定律的平面光学调控元件，由亚波长尺寸大小和间隔的纳米单元在二维平面上周期或非周期排列构成。通过对纳米单元的形状、大小、位置和方向进行调整，几乎可以实现光的相位、振幅、偏振和频率的任意调控。用于成像的超构表面即超构透镜。由于超构透镜灵活的调控机制和轻薄的特性，将超构透镜应用在传统折射光学成像系统可以使系统突破现有的性能瓶颈，提高成像质量，减小系统体积。因此，结合超构透镜与传统折射镜头的光学系统(简称折超混合系统)开发、优化潜力巨大，具有广泛的应用前景。
2、然而，由于传统折射透镜与超构透镜所需使用的分析及运算方法不同(如传统折射透镜通过几何光学分析、光线追迹运算，而超构透镜通过衍射光学中的亚波长电磁学分析、麦克斯韦方程组及衍射算法运算)，传统的光学系统设计方法难以应用于折超混合系统的设计优化。此外，由于超构透镜与传统折射透镜相结合，系统的口径至少在毫米级，对于特征结构在亚波长尺度的超构透镜来说属于大面积，其纳米单元的数量达到了百万级，仿真所需的计算量巨大，对于某些运算方法来说甚至都超出了计算机的内存极限。
3、目前，关于折超混合的设计实例及设计方法很少，而且现有技术都具有一定的局限性，因此亟需适用于毫米级尺度(大面积)折超混合光学系统的通用设计方法。
技术实现思路
1、本专利技术提供一种结合超构透镜及传统折射镜头的混合光
2、本专利技术解决上述技术问题所采用的技术方案为：
3、一种结合超构透镜及传统折射镜头的混合光学系统设计方法，包括以下步骤：
4、步骤1：折射镜头与相位面的光线追迹设计优化，获得超构透镜的理想相位轮廓；
5、步骤2：根据理想相位轮廓设计超构透镜，获得超构透镜实际离散相位分布；
6、步骤3：将超构透镜的实际离散相位取代理想相位面进行适用于折超混合系统的衍射传播仿真，获得光学系统的像质评价指标；
7、沿步骤1-3依次进行，完成后对光学系统的像质评价指标进行评价，若像质评价指标符合技术要求，则完成折超混合光学系统的设计，得到光学系统的结构参数；若不符合技术要求，则重返步骤1重复步骤进行设计优化。
8、优选为，其中步骤1包括以下步骤：
9、步骤101：根据技术要求设计光学系统的初始结构；
10、初始结构的设计方法：pwc分解法，通过pwc分解法计算求解包含衍射相位面在内的初始结构参数；查资料法，根据技术要求参考已有的镜头库设置初始折射镜头结构，并于合适的位置添加衍射相位面；其中衍射相位面即超构透镜的相位面，为了适配后续步骤大面积超构透镜的设计方法，相位分布需要是中心对称；
11、超构透镜中心对称的相位分布可以使用下述任一公式：
12、
13、
14、
15、其中，λ为光的波长，ai和bi为相位系数(作为变量用于后续步骤的光线追迹优化)，r为超构透镜相位面中心到任意位置的距离，c0(λ)为相位轮廓平移参数，对于单波段系统来说为一常数，对于多波段系统是波长λ的函数；
16、步骤102：按照技术要求和仿真需求设置光学系统及光线追迹所需的基本参数，包括系统孔径、视场、波长、环境及追迹光线的数量等；
17、步骤103：针对设置的i个工作波长和j个视场进行第i个波长第j个视场的光线追迹仿真，其中，i＝1，，…，i；j＝1，…，j。补充的，光线追迹对于折射镜头和相位面分别按照斯涅尔定律和广义斯涅尔定律的折射定律计算处理，二者的公式如下：
18、斯涅尔折射定律：nr sinθr-nisinθi＝0
19、广义斯涅尔折射定律：
20、其中，nr与ni分别为折射介质和入射介质的折射率，θr和θi分别为折射角和入射角，λ为光的波长，r为超构透镜相位面中心到任意位置的距离，为超构透镜相位面沿径向方向的相位梯度，相位梯度只与r有关，因此其与所述相位分布公式中相位轮廓平移参数c0(λ)无关；
21、步骤104：根据一阶技术要求和多项成像性能指标建立综合的光学系统评价体系，构建评价函数；
22、可选的，所述评价函数的公式为：
23、
24、其中，wi为权重，vi为单项指标的评价计算值，ti为单项指标的目标值；
25、步骤105：将光学系统按照使评价函数趋于零的方向进行优化，在光学系统满足技术要求的情况下结束优化并导出超构透镜的理想相位分布。
26、优选为，所述步骤2包括以下步骤：
27、步骤201：对构成超构透镜的纳米单元进行结构参数扫描，获得在不同结构参数下的相位并汇总成相位数据库，相位数据库的覆盖范围至少大于2π；补充的，纳米单元的相位响应公式为：
28、
29、其中，λ为光的波长，h为纳米单元的高度，neff(λ)为纳米单元的有效折射率，其与纳米单元的结构参数、周期、材料和光的波长有关；
30、对于多波段光学系统，需要对多个波长分别进行参数扫描，获得得多波长下得相位数据库；
31、步骤202：对步骤1导出的超构透镜理想相位面进行径向截取，获得一条半径上的相位分布并按照小于纳米单元周期的间隔将相位轮廓离散化；
32、对于理想相位轮廓，相位面中心与边缘点之间相位差过大时需要将相位轮廓折叠到2π范围内；
33、小于纳米单元周期的间隔，其大小范围一般为纳米单元周期的十分之一到四分之一；
34、步骤203：通过相位数据库匹配一条半径上的理想离散相位点，获得一条半径上高密度离散点的实际纳米单元匹配情况即纳米单元匹配数据池；
35、对于多波段光学系统，需要纳米单元同时匹配多个波长的理想相位，可以按照如下公式评价纳米单元多波长相位匹配的好坏：
36、
37、其中，由于匹配对象为所述一条半径上的离散相位点，位置变化由r表示，和分别为r＝r0位置处、波长λi下的理想相位和纳米单元实际相位，δ(r0)为多个波长下理想相位与纳米单元实际相位之间误差的平方和；通过数据库遍历使δ(r0)最小即寻找minδ(r0)，选取相应的纳米单元，亦即使纳米单元个体评价误差最小化。
38、进一步可选的，一条半径相位匹配的整体误差评价公式如下所示：
39、δtotal＝σjminδ(rj)
40、其中，rj代表r＝rj为所述一条半径离散化后任一点的位置；
41、以δtotal为评价标准，以步骤101相位轮廓平移参数c0(λ)为变量，通过粒子群算法迭代优化使δtotal最小并得到相应的相位轮廓平移参数c0(λ)，进而匹配得到一条半径上高密度离散点最优的纳米单元匹配情况，即纳米单元匹配数据池；
42、步骤204：以纳米单元本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种结合超构透镜及折射镜头的混合光学系统设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的结合超构透镜及折射镜头的混合光学系统设计方法，其特征在于，所述步骤1包括以下步骤：
3.根据权利要求2所述的结合超构透镜及折射镜头的混合光学系统设计方法，其特征在于，所述步骤2包括以下步骤：
4.根据权利要求3所述的结合超构透镜及折射镜头的混合光学系统设计方法，其特征在于，所述纳米单元采用相同高度的柱结构，其横截面选用中心对称的图形即选用偏振不敏感的结构，包括圆形、正方形、十字形、圆环、中空正方形、多个圆的组合、多个正方形组合。
5.根据权利要求4所述的结合超构透镜及折射镜头的混合光学系统设计方法，其特征在于，所述纳米单元的材料包括TiO2、HfO2、ZrO2、GaN、Si2N3、Si、GaAs、ZnS或AlN。
6.根据权利要求5所述的结合超构透镜及折射镜头的混合光学系统设计方法，其特征在于，所述纳米单元的高度变化范围为0-1500nm，纳米单元的周期小于设计波长的大小且所有纳米单元周期相同。
7.根据
8.根据权利要求7所述的结合超构透镜及折射镜头的混合光学系统设计方法，其特征在于，光学系统的设计要求为：工作波段为可见光波段450～633nm，视场为50°，焦距为10mm，F数为2.5，光学系统总长不大于15mm，调制传递函数MTF在截止频率30lp/mm处不小于0.5。
...【技术特征摘要】
1.一种结合超构透镜及折射镜头的混合光学系统设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的结合超构透镜及折射镜头的混合光学系统设计方法，其特征在于，所述步骤1包括以下步骤：
3.根据权利要求2所述的结合超构透镜及折射镜头的混合光学系统设计方法，其特征在于，所述步骤2包括以下步骤：
4.根据权利要求3所述的结合超构透镜及折射镜头的混合光学系统设计方法，其特征在于，所述纳米单元采用相同高度的柱结构，其横截面选用中心对称的图形即选用偏振不敏感的结构，包括圆形、正方形、十字形、圆环、中空正方形、多个圆的组合、多个正方形组合。
5.根据权利要求4所述的结合超构透镜及折射镜头的混合光学系统设计方法，其特征在于，所述纳米单元的材料包...
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