CN115826232A - 一种超透镜的设计方法、光束匀化器、装置及电子设备 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种超透镜的设计方法、光束匀化器、装置及电子设备，该方法包括：确定基本参数和目标参数；将目标参数作为优化目标，基于基本参数对相位分布函数进行多轮优化，求解相位参数，确定目标相位分布；相位分布函数为发散相位分布函数、聚焦相位分布函数或者非球面相位分布函数；发散相位分布函数或聚焦相位分布函数中任一位置处对应的焦距与位置具有函数关系；生成相位分布为目标相位分布的超透镜。通过本发明实施例提供的超透镜的设计方法、光束匀化器、装置及电子设备，灵活选取适用的相位分布函数并对其进行优化，可以得到将入射光束匀化为光强分布均匀的“一字线”光束的超透镜，且该超透镜的体积轻薄，制作难度也较低。
Description
技术领域
本发明涉及光束匀化技术领域，具体而言，涉及一种超透镜的设计方法、光束匀化器、装置、电子设备及计算机可读存储介质。
背景技术
在生物医学、食品加工、物流、建筑、汽车装配到3D（three-dimensional，三维）扫描等机器视觉应用的场景中，光学装置通常需要发射一条细长的激光标线（或可称为“一字线”）以实现非接触式定位或扫描。而该“一字线”通常的实现方式是：设置激光光源，其用于发射准直的高斯光束，并利用扩束透镜将准直的高斯光束调整为“一字线”；其中，扩束透镜可选择鲍威尔棱镜（Powell Lens），利用其曲面弧顶的复杂二维非球面曲线产生大量球差，从而沿直线重新分布光，减少中心区域的光线，同时增加线条末端的光线强度，提高直线光强的均匀性。
然而，鲍威尔棱镜中扇形角的宽度是玻璃折射率和顶角的严格相关的函数，对于给定的投影距离，越长的“一字线”就需要越高的材料折射率，越陡峭的曲面弧顶，越宽扇形角度，尤其是顶部的弯曲程度需要精确设计和加工，在材料选择和工艺制造上存在巨大难度。而且，鲍威尔棱镜的直径通常为6mm或8.9mm等，且厚度在厘米尺度，尺寸较大，不利于光学系统的轻便化；因此，如何设计一种体积小且制作难度低的光束匀化器显得尤为重要。
发明内容
为解决现有存在的技术问题，本发明实施例提供一种超透镜的设计方法、光束匀化器、装置、电子设备及计算机可读存储介质。
第一方面，本发明实施例提供了一种超透镜的设计方法，包括：确定入射光束的基本参数，所述基本参数包括：所述入射光束的波长和所述入射光束在所要设计的超透镜表面形成的光斑半径；确定出射光束的目标参数，所述目标参数包括：所述出射光束的发散角和所述出射光束的光强分布均匀性参数的阈值；将所述目标参数作为优化目标，基于所述基本参数对所要设计的超透镜所满足的相位分布函数进行多轮优化，求解所述相位分布函数中待定的相位参数，确定所要设计的超透镜所满足的目标相位分布；所述相位分布函数为发散相位分布函数、聚焦相位分布函数或者非球面相位分布函数；所述发散相位分布函数或所述聚焦相位分布函数中任一位置处对应的焦距与所述位置具有函数关系；生成相位分布为所述目标相位分布的超透镜。
可选地，出射光束的光强分布均匀性参数为所述出射光束光强分布的归一化光强差；所述归一化光强差满足：
；其中，A表示所述归一化光强差；
表示所述出射光束的光强分布中光强的最大值；
表示所述出射光束的光强分布中匀化区域光强的最小值；所述匀化区域的边界点为所述光强从0起上升至光强平缓处的边界点。
可选地，确定所要设计的超透镜所满足的目标相位分布，包括：在由求解得到的相位参数所确定的相位分布符合所述目标参数的情况下，将所述由求解得到的相位参数所确定的相位分布作为所述目标相位分布；在由所述多轮优化后最终求解得到的相位参数所确定的相位分布不符合所述目标参数的情况下，对所述优化的目标函数或所述相位分布函数进行调整更新，直至由调整更新后得到的相位参数所确定的相位分布符合所述目标参数，将符合所述目标参数的相位分布作为所述目标相位分布。
可选地，出射光束的发散角为所述出射光束在扩束方向上发散的角度，所述扩束方向包括一个或两个；在所述基于所述基本参数对所要设计的超透镜所满足的相位分布函数进行多轮优化之前，包括：根据所述出射光束的扩束方向，确定所述相位分布函数。
可选地，在所述扩束方向为两个的情况下，所述相位分布函数为所要设计的超透镜对所述入射光束分别在所述两个扩束方向上所提供的调制相位之和。
可选地，在所述相位分布函数为非球面相位分布函数的情况下，所述非球面相位分布函数满足：
其中，
表示所述入射光束在所述扩束方向上的位置；
表示所要设计的超透镜对所述入射光束在所述扩束方向上提供的调制相位；
表示所述入射光束的波长；
和
均为所述非球面相位分布函数中待定的相位参数。
可选地，在所述相位分布函数为发散相位分布函数的情况下，所述发散相位分布函数满足：
其中，
表示所述入射光束在所述扩束方向上的位置；
表示所要设计的超透镜对所述入射光束在所述扩束方向上提供的调制相位；
表示所述入射光束的波长；
表示所要设计的超透镜在y位置处对应的焦距。
可选地，在所述相位分布函数为聚焦相位分布函数的情况下，所述聚焦相位分布函数满足：
其中，
表示所述入射光束在所述扩束方向上的位置；
表示所要设计的超透镜对所述入射光束在所述扩束方向上提供的调制相位；
表示所述入射光束的波长；
表示所要设计的超透镜在y位置处对应的焦距。
可选地，所要设计的超透镜在任一位置处对应的焦距与所述位置具有一阶函数关系，且
；其中，
和
均为所述相位分布函数中待定的相位参数。
可选地，所要设计的超透镜在任一位置处对应的焦距与所述位置具有多阶函数关系，且
；其中，
表示所述多阶函数的阶数；
表示所述阶数的总数；
和
均为所述相位分布函数中待定的相位参数。
第二方面，本发明实施例提供了一种光束匀化器，包括：由上述任一设计方法设计得到的超透镜。
第三方面，本发明实施例还提供了一种超透镜的设计装置，包括：第一确定模块、第二确定模块、处理模块和生成模块；所述第一确定模块用于确定入射光束的基本参数，所述基本参数包括：所述入射光束的波长和所述入射光束在所要设计的超透镜表面形成的光斑半径；所述第二确定模块用于确定出射光束的目标参数，所述目标参数包括：所述出射光束的发散角和所述出射光束的光强分布均匀性参数的阈值；所述处理模块用于将所述目标参数作为优化目标，基于所述基本参数对所要设计的超透镜所满足的相位分布函数进行多轮优化，求解所述相位分布函数中待定的相位参数，确定所要设计的超透镜所满足的目标相位分布；所述相位分布函数为发散相位分布函数、聚焦相位分布函数或者非球面相位分布函数；所述发散相位分布函数或所述聚焦相位分布函数中任一位置处对应的焦距与所述位置具有函数关系；所述生成模块用于生成相位分布为所述目标相位分布的超透镜。
第四方面，本发明实施例提供了一种电子设备，包括处理器和存储器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述存储器中存储的计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时实现上述第一方面所述的超透镜的设计方法。
第五方面，本发明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第一方面所述的超透镜的设计方法。
第六方面，本申请还提供一种计算机程序产品，包括计算机程序，当计算机程序被执行时，可以实现上述第一方面或者第一方面的任一种可能的设计方式所述的超透镜的设计方法。
本发明实施例提供的超透镜的设计方法、光束匀化器、装置、电子设备及计算机可读存储介质，通过灵活选取适用的相位分布函数，例如，任一位置处的焦距与该位置具有函数关系的发散相位分布函数、任一位置处的焦距与该位置具有函数关系的聚焦相位分布函数或者非球面相位分布函数，对所选取的相位分布函数进行优化，可以设计得到能够将入射光束匀化为光强分布均匀的“一字线”光束的超透镜，且该超透镜的体积更加轻薄，制作难度也较低。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或背景技术中的技术方案，下面将对本发明实施例或背景技术中所需要使用的附图进行说明。
图1示出了本发明实施例所提供的一种超透镜的设计方法的流程图；
图2示出了本发明实施例所提供的超透镜的设计方法中，采用超透镜将高斯光束匀化为“一字线”的示意图；
图3示出了本发明实施例所提供的超透镜的设计方法中，超透镜对入射光束进行发散调制的示意图；
图4示出了本发明实施例所提供的超透镜的设计方法中，超透镜对入射光束进行聚焦调制的示意图；
图5示出了本发明实施例所提供的超透镜的设计方法中，确定所要设计的超透镜所满足的目标相位分布的流程图；
图6示出了本发明实施例所提供的超透镜的设计方法中，采用超透镜进行光束匀化且x轴方向未进行扩束的示意图；
图7示出了本发明实施例所提供的超透镜的设计方法中，采用超透镜进行光束匀化且扩束方向为x轴方向的示意图；
图8示出了本发明实施例所提供的实施例1中，“一字线”在x=0处沿y轴的归一化强度的示意图；
图9示出了本发明实施例所提供的实施例1中，“一字线”在y=0处沿x轴的归一化强度的示意图；
图10示出了本发明实施例所提供的实施例1中，“一字线”的光强分布示意图；
图11示出了本发明实施例所提供的实施例2中，“一字线”在x=0处沿y轴的归一化强度的示意图；
图12示出了本发明实施例所提供的实施例2中，“一字线”在y=0处沿x轴的归一化强度的示意图；
图13示出了本发明实施例所提供的实施例2中，“一字线”的光强分布示意图；
图14示出了本发明实施例所提供的实施例3中，“一字线”在x=0处沿y轴的归一化强度的示意图；
图15示出了本发明实施例所提供的实施例3中，“一字线”在y=0处沿x轴的归一化强度的示意图；
图16示出了本发明实施例所提供的实施例3中，“一字线”的光强分布示意图；
图17示出了本发明实施例所提供的实施例4中，“一字线”在x=0处沿y轴的归一化强度的示意图；
图18示出了本发明实施例所提供的实施例4中，“一字线”在y=0处沿x轴的归一化强度的示意图；
图19示出了本发明实施例所提供的实施例4中，“一字线”的光强分布示意图；
图20示出了本发明实施例所提供的一种超透镜的设计装置的结构示意图；
图21示出了本发明实施例所提供的一种用于执行超透镜的设计方法的电子设备的结构示意图。
附图标记说明：
1-超透镜、P-投影平面。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图对本发明实施例进行描述。
图1示出了本发明实施例所提供的一种超透镜的设计方法的流程图。如图1所示，该方法包括以下步骤101-104。
步骤101：确定入射光束的基本参数，基本参数包括：入射光束的波长和入射光束在所要设计的超透镜表面形成的光斑半径。
其中，入射光束为射向所要设计的超透镜的光束，在本发明实施例中，可以理解，该入射光束是需要被匀化成“一字线”的光束，该入射光束通常为激光光源所发射的高斯光束，例如，准直的高斯光束；参见图2所示，图2中超透镜1左侧示出的曲线表示该高斯光束（入射光束）的光强分布，且本发明实施例中入射光束与出射光束沿z轴方向传播。本发明实施例通过已知的入射光束可以确定该入射光束所具有的基本参数，该基本参数包括：入射光束的波长和光斑半径；可以理解，该光斑半径为该入射光束投射在所要设计的超透镜表面所形成的光斑的半径；进一步地，由于该入射光束通常为高斯光束，且该高斯光束的光斑半径一般为其光强分布中最大光强的1/e2处的半径，因此，本发明实施例可以通过确定该高斯光束（入射光束）的光强分布，得到该高斯光束投射在所要设计的超透镜表面的光斑情况，例如，高斯光斑的分布情况，进而可以从该高斯光束的光强分布中得到该高斯光束的光斑半径，并将该光斑半径作为一项基本参数。
步骤102：确定出射光束的目标参数，目标参数包括：出射光束的发散角和出射光束的光强分布均匀性参数的阈值。
本发明实施例中，出射光束是由所要设计的超透镜所射出的光束，可以理解该出射光束为匀化后得到的光束，如图2中超透镜1右侧投影平面P对应的“凸”形光强分布的光束。其中，可以根据实际所需预设出射光束所需要具备的参数，本发明实施例将预设的参数称为目标参数，可以理解，该目标参数是一种期望参数，例如，希望出射光束最终所能具有（或满足）的参数，换句话说，本发明实施例期望通过所设计的超透镜射出具有（或满足）该目标参数的出射光束，以达到将入射光束匀化为所需要的“一字线”光束的目的。
具体地，由于本发明实施例所设计的超透镜需要实现将入射光束扩束为“一字线”光束，因此，可以将出射光束的发散角作为该出射光束的目标参数之一，例如，该出射光束的目标参数包括发散角100°；此外，由于本发明实施例所设计的超透镜还需要在扩束的基础上实现匀光的效果，因此，为了令出射光束的光强分布更加均匀（即可以实现匀光效果），本发明实施例可以针对出射光束所需的光强分布确定其所满足的均匀性参数，其中，该均匀性参数是用来表示光强分布的均匀性程度的参数；并对该均匀性参数预设一个阈值，将该阈值作为该出射光束的目标参数之一；例如，可以将该阈值设置为15%，即该出射光束的目标参数还包括：出射光束的光强分布均匀性参数为15%。
可选地，出射光束的光强分布均匀性参数为出射光束光强分布的归一化光强差；归一化光强差满足：
；其中，A表示归一化光强差，也即均匀性参数；
表示出射光束的光强分布中光强的最大值；
表示出射光束的光强分布中匀化区域光强的最小值；匀化区域的边界点为光强从0起上升至光强平缓处的边界点。
如图2所示，在本发明实施例中，经超透镜射出的出射光束（如扩束并匀光后的“一字线”光束）在光强分布上近似为匀化分布，换句话说，在以高斯光束作为入射光束的情况下，该高斯光束经过所设计的超透镜能够被匀化，该出射光束为匀化光束，且该出射光束的光强分布为匀化分布，因此，为了衡量由所设计的超透镜发射的出射光束的光强分布的均匀性，本发明实施例可以将出射光束所对应的归一化光强差作为光强分布的均匀性参数，从而判断出射光束的光强分布是否均匀、所设计的超透镜是否可以实现匀光的效果；可以理解，该归一化光强差是一种可以用来表示光强分布均匀性的参数。
具体地，可以根据上述公式
，确定出射光束的归一化光强差，即用于表示出射光束的光强分布的均匀性参数；基于该公式可知，出射光束的光强分布（匀化分布）中，最大光强对应该匀化区域中的最大光强，也就是整个匀化分布中的最大光强；最小光强对应匀化区域中的最小光强，其中，该匀化区域对应匀化分布中光强平缓且不为零的区域，该匀化区域的两个边界点即为光强从0开始，逐渐上升（或增大）至光强平缓处的点，或者，也可是理解为光强从平缓处开始，逐渐下降（或减小）至0的整个过程的起点。其中，最大光强和最小光强之间的强度差越小，说明出射光束的光强分布的均匀性越好，即所设计的超透镜的匀光效果越好。需要说明的是，在本发明实施例所确定的目标参数中，出射光束的光强分布均匀性参数的阈值可以基于该出射光束光强分布的归一化光强差确定，例如，预设出射光束光强分布的归一化光强差所需满足的阈值，将该归一化光强差的阈值作为出射光束的光强分布均匀性参数的阈值（目标参数）。
步骤103：将目标参数作为优化目标，基于基本参数对所要设计的超透镜所满足的相位分布函数进行多轮优化，求解相位分布函数中待定的相位参数，确定所要设计的超透镜所满足的目标相位分布；相位分布函数为发散相位分布函数、聚焦相位分布函数或者非球面相位分布函数；发散相位分布函数或聚焦相位分布函数中任一位置处对应的焦距与位置具有函数关系。
其中，相位分布函数是一种包含待定参数的函数关系式，该待定参数是待定的相位参数；本发明实施例可以通过设定该超透镜所适用的相位分布函数，以多轮不断优化的方式对所选取的相位分布函数进行优化。其中，该多轮优化过程中所采用的优化算法可以是梯度优化算法、非线性约束优化算法或模拟退火算法等；并且，可以将上述步骤102所确定的目标参数（即出射光束的发散角和出射光束的光强分布均匀性参数的阈值），作为该优化过程中的优化目标；例如，在预设的目标参数中出射光束的发散角大小为100°、且出射光束的光强分布均匀性参数的阈值为15%的情况下，将优化目标定为出射光束的发散角大小为100°且光强分布均匀性参数的阈值（上限值）为15%；换句话说，在优化的过程中需要尽可能使经超透镜射出的出射光束的发散角达到100°，并使其光强分布均匀性参数小于阈值15%，即该优化过程是逐渐趋近目标参数直至达到该目标参数的过程。
具体地，在超透镜对入射光束（如高斯光束）进行扩束和匀光的过程中，实际上是对射入其表面不同位置处的入射光束（如高斯光束）的偏折，即重新分布光强，就整体功能而言是对光束的不同角度发散（如图3所示，图3中f表示焦距），因此，本发明实施例所选取的相位分布函数可以是发散相位分布函数；或者，在超透镜对入射光束（如高斯光束）进行扩束和匀光的过程中，也可以令出射光束先聚焦，经过焦点后再发散，于远场形成不同角度的发散（如图4所示，图4中f表示焦距），因此，本发明实施例所选取的相位分布函数也可以是聚焦相位分布函数；再或者，在超透镜对入射光束（如高斯光束）进行扩束和匀光的过程中，还可以选取非球面透镜对入射光束进行扩束与匀光时所满足的相位分布，即非球面相位分布函数，本发明实施例可以根据实际情况，从上述三种相位分布函数中进行合理选取。
需要说明的是，在发散相位分布函数和聚焦相位分布函数中均具有超透镜的焦距这一参数，如果该焦距的值保持恒定，即超透镜表面任意位置处的焦距是统一的定值，该超透镜即便满足发散相位分布函数或者聚焦相位分布函数，其作用也只能与传统透镜的光束偏折作用相同，其只可以实现扩束功能，并不能改变光强的高斯分布，进而不能确保出射光束光强的均匀性，即无法实现匀光的功能；因此，本发明实施例中的发散相位分布函数或聚焦相位分布函数中的任一位置处所对应的焦距是根据位置的变化而变化的，即该两个相位分布函数中的某位置处的焦距与该位置之间具有一定的函数关系，使得超透镜的不同位置处对入射光束的发散程度不同，即可实现扩束和匀光的双重功能。
其中，在对所选取的相位分布函数进行本轮（当前轮次）优化的过程中，可以求解得到本轮优化所对应的相位分布函数中待定的相位参数，并将本轮得到的相位参数代入所选取的相位分布函数中，以获得本轮优化对应的相位分布；之后，需要对本轮优化得到的相位分布做进一步判断，即判断是否需要进行下一轮优化，并根据判断的结果确定所要设计的超透镜实际所满足的目标相位分布。具体地，判断的结果可以分为两种，即不需要进行下一轮优化，或者，需要进行下一轮优化；其中，不需要进行下一轮优化可以包括两种不同情况，第一种情况是本轮优化得到的相位分布可以直接作为目标相位分布；第二种情况是本轮优化得到的相位分布不可直接作为目标相位分布，但多轮优化的次数已达到预设的优化轮次；因此，如图5所示，该步骤103中“确定所要设计的超透镜所满足的目标相位分布”，包括以下步骤1031或1032。
步骤1031：在由求解得到的相位参数所确定的相位分布符合目标参数的情况下，将由求解得到的相位参数所确定的相位分布作为目标相位分布。
本发明实施例中，判断是否需要进行下一轮优化的具体原则是判断由本轮优化得到的相位分布调制后得到的出射光束是否符合上述步骤102所确定的目标参数，例如，需要判断经本轮确定的相位分布调制得到的出射光束的发散角是否为100°，且该出射光束的光强分布均匀性参数是否小于15%；在符合目标参数的情况下，认为不需要进行下一轮优化，可以直接将本轮优化得到的相位分布作为所要设计的超透镜所满足的目标相位分布，也就是说，将由求解得到的相位参数所确定的相位分布作为所述目标相位分布。
或者，在不符合目标参数的情况下，认为需要进行下一轮优化，例如，将本轮优化作为上一轮优化，将下一轮优化作为本轮优化，重复上一轮优化的过程，重新求算本轮对应的相位参数并进一步仿真和判断，直至本轮所确定的相位分布符合目标参数，认为此时不需要进行下一轮优化，可以直接将符合目标参数的相位分布作为所要设计的超透镜所满足的目标相位分布，即，将由求解得到的相位参数所确定的相位分布作为所述目标相位分布。
步骤1032：在由多轮优化后最终求解得到的相位参数所确定的相位分布不符合目标参数的情况下，对优化的目标函数或相位分布函数进行调整更新，直至由调整更新后得到的相位参数所确定的相位分布符合目标参数，将符合目标参数的相位分布作为目标相位分布。
在本发明实施例中，当优化的轮次已达到优化算法的预设轮次时，例如，预设优化100轮，且实际优化到第100轮时，若此时（最终优化轮次）求解得到的相位参数所确定的相位分布仍不符合目标参数，认为不需要进行下一轮优化，并可以对上述优化算法中所设定的优化的目标函数进行更新调整；例如，可以使用非线性规划函数算法等，以调整相位参数为方式，并以减少出射光束的光强均匀性参数与预设阈值之间的差值为目标函数，编写优化算法，并整合到整个仿真过程，完成对优化的目标函数的调整更新；此外，还可以对所选取的相位分布函数（如发散相位分布函数、聚焦相位分布函数或者非球面相位分布函数）进行调整，例如选取不同类型的相位分布函数；通过采用上述两种调整更新方法中的至少一种方法，重新进行多轮优化，直至求解得到的相位参数所确定的相位分布符合目标参数，即可将符合目标参数的相位分布作为所述目标相位分布。
步骤104：生成相位分布为目标相位分布的超透镜。
本发明实施例中，按照上述步骤103所确定的目标相位分布生成超透镜，其中，该超透镜是能够投射符合目标参数的出射光束的超透镜，即经该超透镜所射出的出射光束是被扩束为“一字线”且光强分布均匀的光束。
其中，本发明实施例基于该目标相位分布生成超透镜的过程可以是：确定所要设计的超透镜的工作波长、材料参数和透射率等参数要求，在纳米结构仿真中进行参数化扫描，得到不同尺寸的纳米结构与调控相位之间的对应关系，获得离散相位点的纳米结构的数据库；按照所获得的目标相位分布，从纳米结构的数据库中选择并排列满足相位调控要求的纳米结构，完成该超透镜的设计工作，进而可以进行实际的超透镜构建和制造。
在本发明实施例所提供的超透镜的设计方法中，通过灵活选取适用的相位分布函数，例如，任一位置处的焦距与该位置具有函数关系的发散相位分布函数、任一位置处的焦距与该位置具有函数关系的聚焦相位分布函数或者非球面相位分布函数，对所选取的相位分布函数进行优化，可以设计得到能够将入射光束匀化为光强分布均匀的“一字线”光束的超透镜，且该超透镜的体积更加轻薄，制作难度也较低。
可选地，出射光束的发散角为出射光束在扩束方向上发散的角度，扩束方向包括一个或两个；参见图2和图6所示，图2为使用超透镜进行光束匀化的主视图，即该出射光束在y轴方向（如垂直方向）上扩散的示意图；图6为俯视图，且示出了该出射光束在x轴方向（如水平方向）上未发生扩散的情况。其中，由图2可知，y轴方向即为扩束方向，该出射光束在y轴方向上对应的出射角即为其发散角；相反地，由图6可知，x轴方向并不是扩束方向，故在图2和图6所示的情况下，只有一个扩束方向（y轴方向），进一步地，发散角也只有一个。同理，参见图2和图7所示，图2为使用超透镜进行光束匀化的侧视图，即该出射光束在y轴方向（如垂直方向）上扩散的示意图；图7为使用超透镜进行光束匀化的俯视图，即该出射光束在x轴方向（如水平方向）上扩散的示意图。基于图2和图7可知，y轴方向与x轴方向均为扩束方向，即在图2与图7所示的情况下，具有两个扩束方向。
其中，在上述步骤103“基于基本参数对所要设计的超透镜所满足的相位分布函数进行多轮优化”之前，该方法还可以包括：根据出射光束的扩束方向，确定相位分布函数。
由于在对入射光束（如高斯光束）进行“一字线”扩束和匀光的过程中，对不同方向的光强均匀性要求可以是不一致的，例如，可以只对一个方向进行调制，使出射光束在该扩束方向上被扩束为“一字线”的形式（如图2所示），并且不对其他方向做任何调制，例如，令出射光束在其他方向维持入射光束的发散角与光强分布（如高斯分布），如图6所示；因此，本发明实施例可以在出射光束只具有一个扩束方向的情况下，确定具体的相位分布函数。例如，若经过超透镜匀化得到的出射光束只在y轴方向上具有发散角，即出射光束只具有一个扩束方向，那么，可以在进行多轮优化之前，将相位分布函数确定为与y轴方向上的任意位置相关的函数，换句话说，该超透镜只对y轴方向的入射光束进行调制。
或者，本发明实施例也可以同时对两个方向进行调制（如图2和图7所示），使出射光束在两个扩束方向上得到发散角和光强均匀性的调整。具体地，出射光束在两个扩束方向上的光强分布的均匀性均可得到调制，从而可以提高“一字线”的清晰程度；并且，出射光束在两个扩束方向上的发散角大小也都可以得到调制，只是两个扩束方向分别对应的发散角的大小不同，以使出射光束在发散角更大的扩束方向上能够形成“一字线”的形式。因此，本发明实施例也可以在出射光束的扩束方向为两个的情况下，将相位分布函数确定为分别与这两个扩束方向有关的函数。
可选地，在扩束方向为两个的情况下，相位分布函数为所要设计的超透镜对入射光束分别在两个扩束方向上所提供的调制相位之和。
可以理解，在扩束方向为两个的情况下，超透镜需要分别对这两个扩束方向上的入射光束提供调制相位，即所确定的相位分布函数是超透镜对入射光束在第一个扩束方向上所提供的调制相位与超透镜对入射光束在第二个扩束方向上所提供的调制相位的叠加，该相位分布函数具体可表示为
，且
；其中，出射光束对应的两个扩束方向分别为y轴方向与x轴方向，
表示所要设计的超透镜对入射光束在x轴方向（扩束方向）上提供的调制相位，
表示所要设计的超透镜对入射光束在y轴方向（扩束方向）上提供的调制相位，其中，上述关系式中采用
和
表示两个方向各自所选用的用于提供调制相位的相位分布函数，
和
可以是相同的相位分布函数，或者，也可以是不一样的两种相位分布函数。
可选地，在相位分布函数为非球面相位分布函数的情况下，非球面相位分布函数满足：
其中，
表示入射光束（如高斯光束）在扩束方向（如y轴方向）上的位置；
表示所要设计的超透镜对入射光束（如高斯光束）在扩束方向（如y轴方向）上提供的调制相位；
表示入射光束的波长；
和
均为非球面相位分布函数中待定的相位参数。例如，本发明实施例可以在扩束方向为y轴方向的情况下，将该非球面相位分布函数作为需要进行多轮优化的相位分布函数，通过多轮优化最终求解得到相位参数
和
；需要说明的是，若扩束方向为x轴方向，可以直接将上述非球面相位分布函数中的y用x进行替换，得到该超透镜对入射光束在x轴方向上提供的调制相位。
可选地，在相位分布函数为发散相位分布函数的情况下，发散相位分布函数满足：
其中，
表示入射光束（如高斯光束）在扩束方向（如y轴方向）上的位置；
表示所要设计的超透镜对入射光束（如高斯光束）在扩束方向（如y轴方向）上提供的调制相位；
表示入射光束的波长；
表示所要设计的超透镜在y位置处对应的焦距；可选地，所要设计的超透镜在任一位置处对应的焦距与位置具有一阶函数关系，且
；其中，
和
均为相位分布函数中待定的相位参数。
本发明实施例可以将该发散相位分布函数作为需要进行多轮优化的相位分布函数，并且，为了使出射光束的光强分布更加均匀，本发明实施例可以将该发散相位分布函数中各个y位置处对应的焦距设置为一阶函数，将参数
和参数
作为该发散相位分布函数中的相位参数，通过多轮优化最终求解得到该一阶函数中的参数
和参数
，进而确定该超透镜所满足的目标相位分布。
进一步地，为了提高多轮优化后所确定的目标相位分布的精确度，在选取发散相位分布函数时，可以将该发散相位分布函数中各个y位置处对应的焦距设置为多阶函数，也就是说，可以将发散相位分布函数中变化的焦距
设置成多阶多项式的叠加；可选地，所要设计的超透镜在任一位置处对应的焦距与位置具有多阶函数关系，且
；其中，
表示多阶函数的阶数；
表示阶数的总数；
和
均为相位分布函数中待定的相位参数。本发明实施例将参数
和参数
作为该发散相位分布函数中的相位参数，通过求解该多阶函数中的参数
和参数
，进而更加精准地确定该超透镜所满足的目标相位分布。
可选地，在相位分布函数为聚焦相位分布函数的情况下，聚焦相位分布函数满足：
其中，
表示入射光束（如高斯光束）在扩束方向（如y轴方向）上的位置；
表示所要设计的超透镜对入射光束（如高斯光束）在扩束方向（如y轴方向）上提供的调制相位；
表示入射光束的波长；
表示所要设计的超透镜在y位置处对应的焦距。
可以理解，在选取聚焦相位分布函数作为多轮优化所针对的相位分布函数的情况下，关于变化的焦距
的设置，与上述选取发散相位分布函数作为多轮优化所针对的相位分布函数时
的设置相同，此处不再赘述。
可选地，在相位分布函数为非球面相位分布函数的情况下，非球面相位分布函数满足：
在相位分布函数为发散相位分布函数的情况下，发散相位分布函数满足：
在相位分布函数为聚焦相位分布函数的情况下，聚焦相位分布函数满足：
其中，
表示入射光束在扩束方向上的位置；
表示所要设计的超透镜对入射光束在扩束方向上提供的调制相位；
表示入射光束的波长；
表示所要设计的超透镜在y位置处对应的焦距；
、
和
均为相位分布函数中待定的相位参数，且
0。
在本发明实施例中，为了使所设计的超透镜可以适用于出射小发散角的“一字线”光束的情况，可以在所选择的相位分布函数（如非球面相位分布函数、聚焦相位分布函数或发散相位分布函数）中增设待定的相位参数m，所增设的相位参数m是一个经验参数，添加相位参数m使得
可以应用于小角度快速优化，例如，可以通过优化所选择的上述三种相位分布函数所满足的公式，求算该相位参数m，进而加快每轮优化的速度，从而生成小角度且光强分布均匀的“一字线”光束。
本发明实施例还提供了一种光束匀化器，参见图2所示，该光束匀化器包括：由上述任意一种设计方法设计得到的超透镜1。该光束匀化器因采用超透镜制作而成，不仅具有更加轻薄的体积，避免了使用鲍威尔棱镜时所产生的尺寸较大的问题；且由于超透镜在材料选择和制造工艺上均具有较低的难度，因此可以在较低成本的情况下实现量产；此外，基于该设计方法得到的超透镜的目标相位分布可适用于较大发散角的“一字线”分布，并保持较好的均匀性，能量的效率也较高。
实施例1：
入射光束是波长为940nm，光斑半径为1075nm的高斯光束，对该入射光束使用尺寸为4mm×4mm超透镜产生“一字线”光束；其中，对于上述超透镜，采用的相位分布函数是发散相位分布函数，出射光束具有一个扩束方向（y轴方向），通过优化算法计算获得的相位参数分别为a=316，b=0.0866。
在距离该超透镜10m处进行仿真，得到的“一字线”在x=0处沿y轴的归一化强度（光强分布）的示意图可以参见图8所示，得到的该“一字线”在y=0处沿x轴的归一化强度（光强分布）的示意图可以参见图9所示；且该“一字线”整体的光强分布可以参见图10所示。在本实施例1中，y轴方向（扩束方向）上的发散角为96.7°，光强均匀性参数（归一化光强差）A=1.34%，x轴方向的光强分布不进行调制，仍保持为高斯分布。另外，该超透镜对高斯光强的衍射效率达到92.4%，可以高效地利用入射的光能量。
实施例2：
入射光束是波长为940nm，光斑半径为1075nm的高斯光束，对该入射光束使用尺寸为4mm×4mm超透镜产生发散角为127°“一字线”光束；其中，对于上述超透镜，采用的相位分布函数是发散相位分布函数，出射光束具有一个扩束方向（y轴方向），通过优化算法计算获得的相位参数分别为a=110，b=0.1。
在距离该超透镜10m处进行仿真，得到的“一字线”在x=0处沿y轴的归一化强度（光强分布）的示意图可以参见图11所示，得到的该“一字线”在y=0处沿x轴的归一化强度（光强分布）的示意图可以参见图12所示；且该“一字线”整体的光强分布可以参见图13所示。在本实施例2中，y轴方向（扩束方向）上的发散角为127°，光强均匀性参数（归一化光强差）A=1.94%，x轴方向的光强分布不进行调制，仍保持为高斯分布。本实施例2中的超透镜可以生成发散角更大的“一字线”。
实施例3：
入射光束是波长为940nm，光斑半径为1075nm的高斯光束，对该入射光束使用尺寸为4mm×4mm超透镜产生“一字线”光束；其中，对于上述超透镜，采用的相位分布函数是发散相位分布函数，出射光束具有一个扩束方向（y轴方向），通过优化算法计算获得的相位参数分别为a=480，b 1=0.01，b 2=0.0645，m=1.65。
在距离该超透镜10m处进行仿真，得到的“一字线”在x=0处沿y轴的归一化强度（光强分布）的示意图可以参见图14所示，得到的该“一字线”在y=0处沿x轴的归一化强度（光强分布）的示意图可以参见图15所示；且该“一字线”整体的光强分布可以参见图16所示。在本实施例3中，y轴方向（扩束方向）上的发散角为42°，光强均匀性参数（归一化光强差）A=1.02%，x轴方向的光强分布不进行调制，仍保持为高斯分布。本实施例3中的超透镜可以生成发散角较小的“一字线”。
实施例4：
入射光束是波长为940nm，光斑半径为1075nm的高斯光束，对该入射光束使用尺寸为4mm×4mm超透镜产生“一字线”光束；其中，对于上述超透镜，采用的相位分布函数是发散相位分布函数，出射光束具有两个扩束方向，通过优化算法计算获得的y轴方向的相位参数分别为a=316，b=0.0866，x轴方向的相位参数分别为a=1680，b1=1，b2=3.2×10-4，m=260。
在距离该超透镜10m处进行仿真，得到的“一字线”在x=0处沿y轴的归一化强度（光强分布）的示意图可以参见图17所示，得到的该“一字线”在y=0处沿x轴的归一化强度（光强分布）的示意图可以参见图18所示；且该“一字线”整体的光强分布可以参见图19所示。在本实施例4中，y轴方向（扩束方向）上的发散角为96.7°，光强均匀性参数（归一化光强差）A=1.34%，x轴方向的光强分布经该超透镜的调制，变为与y方向一致，即均由高斯分布变成匀化光束。本实施例4中的超透镜可以实现两个方向匀光，生成整体光强均匀性更高的“一字线”。
上文详细描述了本发明实施例提供的超透镜的设计方法，该方法也可以通过相应的装置实现，下面详细描述本发明实施例提供的超透镜的设计装置。
图20示出了本发明实施例所提供的一种超透镜的设计装置的结构示意图。如图20所示，该超透镜的设计装置包括：第一确定模块11、第二确定模块12、处理模块13和生成模块14。
第一确定模块11用于确定入射光束的基本参数，所述基本参数包括：所述入射光束的波长和所述入射光束在所要设计的超透镜表面形成的光斑半径。
第二确定模块12用于确定出射光束的目标参数，所述目标参数包括：所述出射光束的发散角和所述出射光束的光强分布均匀性参数的阈值。
处理模块13用于将所述目标参数作为优化目标，基于所述基本参数对所要设计的超透镜所满足的相位分布函数进行多轮优化，求解所述相位分布函数中待定的相位参数，确定所要设计的超透镜所满足的目标相位分布；所述相位分布函数为发散相位分布函数、聚焦相位分布函数或者非球面相位分布函数；所述发散相位分布函数或所述聚焦相位分布函数中任一位置处对应的焦距与所述位置具有函数关系。
生成模块14用于生成相位分布为所述目标相位分布的超透镜。
可选地，出射光束的光强分布均匀性参数为所述出射光束光强分布的归一化光强差；所述归一化光强差满足：
；其中，A表示所述归一化光强差；
表示所述出射光束的光强分布中光强的最大值；
表示所述出射光束的光强分布中匀化区域光强的最小值；所述匀化区域的边界点为所述光强从0起上升至光强平缓处的边界点。
可选地，处理模块13包括：第一确定单元和第二确定单元。
第一确定单元用于在由求解得到的相位参数所确定的相位分布符合所述目标参数的情况下，将所述由求解得到的相位参数所确定的相位分布作为所述目标相位分布。
第二确定单元用于在由所述多轮优化后最终求解得到的相位参数所确定的相位分布不符合所述目标参数的情况下，对所述优化的目标函数或所述相位分布函数进行调整更新，直至由调整更新后得到的相位参数所确定的相位分布符合所述目标参数，将符合所述目标参数的相位分布作为所述目标相位分布。
可选地，出射光束的发散角为所述出射光束在扩束方向上发散的角度，所述扩束方向包括一个或两个；该装置包括：根据所述出射光束的扩束方向，确定所述相位分布函数。
可选地，在所述扩束方向为两个的情况下，所述相位分布函数为所要设计的超透镜对所述入射光束分别在所述两个扩束方向上所提供的调制相位之和。
可选地，在所述相位分布函数为非球面相位分布函数的情况下，所述非球面相位分布函数满足：
其中，
表示所述入射光束在所述扩束方向上的位置；
表示所要设计的超透镜对所述入射光束在所述扩束方向上提供的调制相位；
表示所述入射光束的波长；
和
均为所述非球面相位分布函数中待定的相位参数。
可选地，在所述相位分布函数为发散相位分布函数的情况下，所述发散相位分布函数满足：
其中，
表示所述入射光束在所述扩束方向上的位置；
表示所要设计的超透镜对所述入射光束在所述扩束方向上提供的调制相位；
表示所述入射光束的波长；
表示所要设计的超透镜在y位置处对应的焦距。
可选地，在所述相位分布函数为聚焦相位分布函数的情况下，所述聚焦相位分布函数满足：
其中，
表示所述入射光束在所述扩束方向上的位置；
表示所要设计的超透镜对所述入射光束在所述扩束方向上提供的调制相位；
表示所述入射光束的波长；
表示所要设计的超透镜在y位置处对应的焦距。
可选地，所要设计的超透镜在任一位置处对应的焦距与所述位置具有一阶函数关系，且
；其中，
和
均为所述相位分布函数中待定的相位参数。
可选地，所要设计的超透镜在任一位置处对应的焦距与所述位置具有多阶函数关系，且
；其中，
表示所述多阶函数的阶数；
表示所述阶数的总数；
和
均为所述相位分布函数中待定的相位参数。
本发明实施例所提供的装置，通过灵活选取适用的相位分布函数，例如，任一位置处的焦距与该位置具有函数关系的发散相位分布函数、任一位置处的焦距与该位置具有函数关系的聚焦相位分布函数或者非球面相位分布函数，对所选取的相位分布函数进行优化，可以设计得到能够将入射光束匀化为光强分布均匀的“一字线”光束的超透镜，且该超透镜的体积更加轻薄，制作难度也较低。
需要说明的是，上述实施例提供的超透镜的设计装置在实现相应的功能时，仅以上述各功能模块的划分举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由一种功能模块（例如处理器），也可由不同的功能模块完成，即将设备的内部结构划分成不同的功能模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。另外，上述实施例提供的超透镜的设计装置与超透镜的设计方法实施例属于同一构思，其具体实现过程详见方法实施例，这里不再赘述。
根据本申请的一个方面，本发明实施例还提供一种计算机程序产品，该计算机程序产品包括计算机程序，该计算机程序包含用于执行流程图所示的方法的程序代码。在这样的实施例中，该计算机程序可以通过通信部分从网络上被下载和安装。在该计算机程序被处理器执行时，执行本申请实施例提供的超透镜的设计方法。
具体的，参见图21所示，本发明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。
在本发明实施例中，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执行时实现上述超透镜的设计方法实施例的各个过程。
收发器1130，用于在处理器1120的控制下接收和发送数据。
本发明实施例中，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。
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。
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（FieldProgrammable Gate Array，FPGA）、复杂可编程逻辑器件（Complex Programmable LogicDevice，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。可以实现或执行本发明实施例中公开的各方法、步骤及逻辑框图。例如，处理器可以是单核处理器或多核处理器，处理器可以集成于单颗芯片或位于多颗不同的芯片。
处理器1120可以是微处理器或任何常规的处理器。结合本发明实施例所公开的方法步骤可以直接由硬件译码处理器执行完成，或者由译码处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存取存储器（Random Access Memory，RAM）、闪存（FlashMemory）、只读存储器（Read-Only Memory，ROM）、可编程只读存储器（ProgrammableROM，PROM）、可擦除可编程只读存储器（Erasable PROM，EPROM）、寄存器等本领域公知的可读存储介质中。所述可读存储介质位于存储器中，处理器读取存储器中的信息，结合其硬件完成上述方法的步骤。
总线1110还可以将，例如外围设备、稳压器或功率管理电路等各种其他电路连接在一起，总线接口1140在总线1110和收发器1130之间提供接口，这些都是本领域所公知的。因此，本发明实施例不再对其进行进一步描述。
收发器1130可以是一个元件，也可以是多个元件，例如多个接收器和发送器，提供用于在传输介质上与各种其他装置通信的单元。例如：收发器1130从其他设备接收外部数据，收发器1130用于将处理器1120处理后的数据发送给其他设备。取决于计算机系统的性质，还可以提供用户接口1160，例如：触摸屏、物理键盘、显示器、鼠标、扬声器、麦克风、轨迹球、操纵杆、触控笔。
应理解，在本发明实施例中，存储器1150可进一步包括相对于处理器1120远程设置的存储器，这些远程设置的存储器可以通过网络连接至服务器。上述网络的一个或多个部分可以是自组织网络（ad hoc network）、内联网（intranet）、外联网（extranet）、虚拟专用网（VPN）、局域网（LAN）、无线局域网（WLAN）、广域网（WAN）、无线广域网（WWAN）、城域网（MAN）、互联网（Internet）、公共交换电话网（PSTN）、普通老式电话业务网（POTS）、蜂窝电话网、无线网络、无线保真（Wi-Fi）网络以及两个或更多个上述网络的组合。例如，蜂窝电话网和无线网络可以是全球移动通信（GSM）系统、码分多址（CDMA）系统、全球微波互联接入（WiMAX）系统、通用分组无线业务（GPRS）系统、宽带码分多址（WCDMA）系统、长期演进（LTE）系统、LTE频分双工（FDD）系统、LTE时分双工（TDD）系统、先进长期演进（LTE-A）系统、通用移动通信（UMTS）系统、增强移动宽带（Enhance MobileBroadband，eMBB）系统、海量机器类通信（massive Machine Type of Communication，mMTC）系统、超可靠低时延通信（UltraReliable Low Latency Communications，uRLLC）系统等。
应理解，本发明实施例中的存储器1150可以是易失性存储器或非易失性存储器，或可包括易失性存储器和非易失性存储器两者。其中，非易失性存储器包括：只读存储器（Read-Only Memory，ROM）、可编程只读存储器（ProgrammableROM，PROM）、可擦除可编程只读存储器（Erasable PROM，EPROM）、电可擦除可编程只读存储器（ElectricallyEPROM，EEPROM）或闪存（Flash Memory）。
易失性存储器包括：随机存取存储器（Random Access Memory，RAM），其用作外部高速缓存。通过示例性但不是限制性说明，许多形式的RAM可用，例如：静态随机存取存储器（Static RAM，SRAM）、动态随机存取存储器（Dynamic RAM，DRAM）、同步动态随机存取存储器（Synchronous DRAM，SDRAM）、双倍数据速率同步动态随机存取存储器（Double Data RateSDRAM，DDRSDRAM）、增强型同步动态随机存取存储器（Enhanced SDRAM，ESDRAM）、同步连接动态随机存取存储器（SynchlinkDRAM，SLDRAM）和直接内存总线随机存取存储器（DirectRambus RAM，DRRAM）。本发明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。
在本发明实施例中，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。
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。实现本发明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。
此外，本发明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超透镜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。
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。按照本发明实施例中的界定，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。
在本申请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。
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发明实施例方案要解决的问题。
另外，在本发明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。
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，本发明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）执行本发明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。
在本发明实施例的描述中，所属技术领域的技术人员应当知道，本发明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，本发明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，本发明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。
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。在本发明实施例中，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。
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。
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发明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。
本发明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。
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。
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。
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。
以上所述，仅为本发明实施例的具体实施方式，但本发明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发明实施例披露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明实施例的保护范围之内。因此，本发明实施例的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (14)
1.一种超透镜的设计方法，其特征在于，包括：
确定入射光束的基本参数，所述基本参数包括：所述入射光束的波长和所述入射光束在所要设计的超透镜表面形成的光斑半径；
确定出射光束的目标参数，所述目标参数包括：所述出射光束的发散角和所述出射光束的光强分布均匀性参数的阈值；
将所述目标参数作为优化目标，基于所述基本参数对所要设计的超透镜所满足的相位分布函数进行多轮优化；求解所述相位分布函数中待定的相位参数，确定所要设计的超透镜所满足的目标相位分布；所述相位分布函数为发散相位分布函数、聚焦相位分布函数或者非球面相位分布函数；所述发散相位分布函数或所述聚焦相位分布函数中任一位置处对应的焦距与所述位置具有函数关系；
生成相位分布为所述目标相位分布的超透镜。
2.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述出射光束的光强分布均匀性参数为所述出射光束光强分布的归一化光强差；所述归一化光强差满足：
；
其中，A表示所述归一化光强差；
表示所述出射光束的光强分布中光强的最大值；
表示所述出射光束的匀化区域中光强的最小值；所述匀化区域的边界点为所述光强从0起上升至光强平缓处边界点。
3.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述确定所要设计的超透镜所满足的目标相位分布，包括：
在由求解得到的相位参数所确定的相位分布符合所述目标参数的情况下，将所述由求解得到的相位参数所确定的相位分布作为所述目标相位分布；
在由所述多轮优化后最终求解得到的相位参数所确定的相位分布不符合所述目标参数的情况下，对所述优化的目标函数或所述相位分布函数进行调整更新，直至由调整更新后得到的相位参数所确定的相位分布符合所述目标参数，将符合所述目标参数的相位分布作为所述目标相位分布。
4.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述出射光束的发散角为所述出射光束在扩束方向上发散的角度，所述扩束方向包括一个或两个；
在所述基于所述基本参数对所要设计的超透镜所满足的相位分布函数进行多轮优化之前，包括：根据所述出射光束的扩束方向，确定所述相位分布函数。
5.根据权利要求4所述的设计方法，其特征在于，在所述扩束方向为两个的情况下，所述相位分布函数为所要设计的超透镜对所述入射光束分别在所述两个扩束方向上所提供的调制相位之和。
6.根据权利要求4所述的设计方法，其特征在于，在所述相位分布函数为非球面相位分布函数的情况下，所述非球面相位分布函数满足：
其中，
表示所述入射光束在所述扩束方向上的位置；
表示所要设计的超透镜对所述入射光束在所述扩束方向上提供的调制相位；
表示所述入射光束的波长；
和
均为所述相位分布函数中待定的相位参数。
7.根据权利要求4所述的设计方法，其特征在于，在所述相位分布函数为发散相位分布函数的情况下，所述发散相位分布函数满足：
其中，
表示所述入射光束在所述扩束方向上的位置；
表示所要设计的超透镜对所述入射光束在所述扩束方向上提供的调制相位；
表示所述入射光束的波长；
表示所要设计的超透镜在y位置处对应的焦距。
8.根据权利要求4所述的设计方法，其特征在于，在所述相位分布函数为聚焦相位分布函数的情况下，所述聚焦相位分布函数满足：
其中，
表示所述入射光束在所述扩束方向上的位置；
表示所要设计的超透镜对所述入射光束在所述扩束方向上提供的调制相位；
表示所述入射光束的波长；
表示所要设计的超透镜在y位置处对应的焦距。
9.根据权利要求7或8所述的设计方法，其特征在于，所要设计的超透镜在任一位置处对应的焦距与所述位置具有一阶函数关系，且
；
其中，
和
均为所述相位分布函数中待定的相位参数。
10.根据权利要求7或8所述的设计方法，其特征在于，所要设计的超透镜在任一位置处对应的焦距与所述位置具有多阶函数关系，且
；
其中，
表示所述多阶函数的阶数；
表示所述阶数的总数；
和
均为所述相位分布函数中待定的相位参数。
11.一种光束匀化器，其特征在于，包括：由上述权利要求1-10所述的任一设计方法设计得到的超透镜。
12.一种超透镜的设计装置，其特征在于，包括：第一确定模块、第二确定模块、处理模块和生成模块；
所述第一确定模块用于确定入射光束的基本参数，所述基本参数包括：所述入射光束的波长和所述入射光束在所要设计的超透镜表面形成的光斑半径；
所述第二确定模块用于确定出射光束的目标参数，所述目标参数包括：所述出射光束的发散角和所述出射光束的光强分布均匀性参数的阈值；
所述处理模块用于将所述目标参数作为优化目标，基于所述基本参数对所要设计的超透镜所满足的相位分布函数进行多轮优化，求解所述相位分布函数中待定的相位参数，确定所要设计的超透镜所满足的目标相位分布；所述相位分布函数为发散相位分布函数、聚焦相位分布函数或者非球面相位分布函数；所述发散相位分布函数或所述聚焦相位分布函数中任一位置处对应的焦距与所述位置具有函数关系；
所述生成模块用于生成相位分布为所述目标相位分布的超透镜。
13.一种电子设备，包括处理器和存储器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述存储器中存储的计算机程序，以实现如权利要求1至10中任一项所述的超透镜的设计方法。
14.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至10中任一项所述的超透镜的设计方法中的步骤。
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