CN116090245A - 增透膜的设计方法、装置及电子设备 - Google Patents

增透膜的设计方法、装置及电子设备 Download PDF

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CN116090245A CN202310150326.1A CN202310150326A CN116090245A CN 116090245 A CN116090245 A CN 116090245A CN 202310150326 A CN202310150326 A CN 202310150326A CN 116090245 A CN116090245 A CN 116090245A
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姜雯
郝成龙
谭凤泽
朱健
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Abstract

本申请提供了一种增透膜的设计方法、装置及电子设备，属于超透镜的技术领域。该设计方法包括步骤S1，输入结构参数和膜优化参数，所述结构参数包括超透镜参数、膜系折射率约束、膜系厚度约束；所述膜优化参数包括膜结构类型、膜层数和随机起始点；步骤S2，根据所述结构参数和所述膜优化参数计算超透镜的透过率信息和相位信息；步骤S3，根据所述透过率信息和所述相位信息优化所述结构参数；步骤S4，将所述步骤S3中经优化的结构参数返回所述步骤S1，并重复所述步骤S1至所述步骤S4直至所述结构参数和/或所述膜优化参数满足优化算法的停止条件。该设计方法改善了超透镜的透过率。

Description

增透膜的设计方法、装置及电子设备
技术领域
本申请涉及光学超透镜的技术领域，具体地，本申请涉及增透膜的设计方法、装置及电子设备。
背景技术
超透镜是一种超表面，超表面为一层亚波长的人工纳米结构膜，可通过其上设置的纳米结构单元来对入射光的振幅、相位和偏振进行调制。纳米结构可理解为包含全介质或电介质的、能够导致相位突变的亚波长结构，而纳米结构单元为通过对超透镜进行划分而得到以每个纳米结构为中心的结构单元。超透镜解决了传统透镜体积大、重量沉的问题，但存在透过率较低的问题。
为了改善超透镜的透过率，提出了在超透镜上镀覆增透膜的技术方案。增透膜又称减反射膜，通过干涉原理减少反射光并增加透射光。与传统透镜表面平整不同，超透镜的表面其具有阵列排布的纳米结构。超透镜特殊的表面结构导致了传统的增透膜的设计方法无法适用于超透镜。
因此，如何改善超透镜的透过率成为亟待解决的问题。
发明内容
为了解决现有技术中超透镜的透过率需要改善的技术问题，本申请提供了一种增透膜的设计方法、装置及电子设备。
第一方面，本申请提供了一种增透膜的设计方法，所述设计方法包括：
步骤S1，输入结构参数和膜优化参数，所述结构参数包括超透镜参数、膜系折射率约束、膜系厚度约束；所述膜优化参数包括膜结构类型、膜层数和随机起始点；
步骤S2，根据所述结构参数和所述膜优化参数计算超透镜的透过率和相位；
步骤S3，根据所述透过率和所述相位优化所述结构参数；
步骤S4，将所述步骤S3中经优化的结构参数返回所述步骤S1，并重复所述步骤S1至所述步骤S4直至所述结构参数和/或所述膜优化参数满足优化算法的停止条件。
可选地，所述步骤S2包括基于有限元分析方法计算所述透过率和所述相位。
可选地，所述步骤S3包括基于非线性规划函数优化算法得到所述结构参数的局部最优和/或全局最优。
可选地，所述步骤S3包括：
步骤S201，基于所述结构参数计算所述超透镜的无膜结构的透过率和相位；
步骤S202，基于所述结构参数和所述膜优化参数计算所述超透镜的镀膜结构的透过率和相位。
可选地，所述超透镜参数包括纳米结构的周期、所述超透镜的工作波段、所述纳米结构的高度、所述纳米结构的半径范围、所述纳米结构的材料的折射率和基底的折射率中的任意一种或多种的组合。
可选地，所述膜结构类型包括：
所述增透膜覆盖所述超透镜的基底；或
所述增透膜位于所述超透镜的纳米结构的任意一端；或
所述增透膜位于所述纳米结构靠近所述基底的一端和远离所述基底的一端；或
所述增透膜覆盖所述纳米结构远离所述基底的一端和所述基底表面除所述纳米结构之外的部分；或
所述增透膜覆盖所述基底靠近所述纳米结构一侧的全部表面以及所述纳米结构远离所述基底的一端。
可选地，所述优化算法的停止条件包括：
所述膜优化参数满足设计要求；和/或
基于所述结构参数和所述膜优化参数计算的超透镜的透过率满足设计要求。
可选地，所述所述膜优化参数满足设计要求包括膜层数大于等于1。
可选地，所述基于所述结构参数和所述膜优化参数计算的超透镜的透过率满足设计要求包括所述透过率大于等于90％。
可选地，所述透过率信息至少包括：超透镜的透过率或平均透过率中的任一；所述相位信息至少包括：相位、归一化相位或相位覆盖率中的任一。
第二方面，本申请还一种增透膜的设计装置，适用于如上述任一实施例提供的增透膜的设计方法，所述设计装置包括：
输入模块，用于输入结构参数和膜优化参数；
仿真模块，用于计算超透镜的透过率和相位；
优化模块，用于优化所述结构参数。
可选地，所述设计装置还包括：
交换模块，用于存储所述仿真模块与所述优化模块的计算结果，并实现所述仿真模块与所述优化模块之间的数据交换。
第三方面，本申请又提供了一种电子设备，包括总线、收发器、存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述收发器、所述存储器和所述处理器通过所述总线相连，所述计算机程序被所述处理器执行时实现如上述任一实施例提供的增透膜的设计方法中的步骤。
第四方面，本申请又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如上述任一实施例提供的增透膜的设计方法中的步骤。
本申请提供的增透膜的设计方法，通过根据结构参数和膜优化参数计算超透镜的透过率和相位，然后根据透过率和相位优化结构参数，通过循环上述步骤得到满足优化算法的停止条件的结构参数和/或膜优化参数，借此得到了适用于超透镜的增透膜，改善了超透镜的透过率。
附图说明
所包括的附图用于提供本申请的进一步理解，并且被并入本说明书中构成本说明书的一部分。附图示出了本申请的实施方式，连同下面的描述一起用于说明本申请的原理。
图1示出了本申请实施例提供的增透膜的设计方法的一种可选的流程图；
图2示出了本申请实施例提供的一种可选的膜结构类型；
图3中的(a)示出了本申请实施例提供的又一种可选的膜结构类型；
图3中的(b)示出了本申请实施例提供的又一种可选的膜结构类型；
图4示出了本申请实施例提供的又一种可选的膜结构类型；
图5中的(a)示出了本申请实施例提供的又一种可选的膜结构类型；
图5中的(b)示出了本申请实施例提供的又一种可选的膜结构类型；
图6示出了本申请实施例提供的增透膜的设计方法的一种可选的流程图；
图7示出了一种可选的纳米结构的透过率和相位与半径变化范围的关系；
图8示出了又一种可选的纳米结构的透过率和相位与半径变化范围的关系；
图9示出了一种可选的纳米结构的透过率和相位与半径变化范围的关系；
图10示出了又一种可选的纳米结构的透过率和相位与半径变化范围的关系；
图11示出了一种可选的纳米结构的透过率和相位与半径变化范围的关系；
图12示出了又一种可选的纳米结构的透过率和相位与半径变化范围的关系；
图13示出了一种可选的纳米结构的透过率和相位与半径变化范围的关系；
图14示出了又一种可选的纳米结构的透过率和相位与半径变化范围的关系；
图15示出了又一种可选的纳米结构的透过率和相位与半径变化范围的关系；
图16示出了本申请实施例提供的增透膜的设计装置的一种可选的结构示意图；
图17示出了本申请实施例提供的增透膜的设计装置的又一种可选的结构示意图；
图18示出了本申请实施例所提供的一种用于执行增透膜的设计方法的电子设备的结构示意图；
图19示出了本申请实施例所提供的超透镜的一种可选的结构示意图；
图20示出了本申请实施例提供的超透镜的一种可选的纳米结构的排布方式示意图；
图21示出了本申请实施例提供的超透镜的一种可选的纳米结构的示意图；
图22示出了本申请实施例提供的超透镜的又一种可选的纳米结构的示意图。
图中附图标记分别表示：
1-纳米结构；2-增透膜；3-基底；10-输入模块；20-仿真模块；30-优化模块；40-交换模块；1110-总线；1120-处理器；1130-收发器；1140-总线接口；1150-存储器；1160-用户接口；1151-操作系统；1152-应用程序。
具体实施方式
在本申请实施例的描述中，所属技术领域的技术人员应当知道，本申请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，本申请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，本申请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。在本申请实施例中，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申请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。
本申请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。
本申请的发明人发现，采用传统透镜的增透膜设计方法设计的增透膜应用于超透镜时，由于增透膜沉积在超透镜的纳米结构之间会破坏超透镜原本的相位，从而使超透镜的光学性能偏离预期。
对此，本申请的发明人提出将超透镜的任一纳米结构、以该纳米结构为中心的基底和该纳米结构周围填充的填充物质作为纳米结构单元，再计算上述纳米结构单元的等效折射率和消光系数，之后将计算结果导入膜系设计模块，再通过膜系设计模块和有限元分析模块联合优化可以得到不破坏超透镜的相位但能改善超透镜透过率的膜系参数。然而，发明人后续发现，该方法虽然在不改变超透镜的相位的情况下改善了超透镜的透过率，但是该方法的计算流程复杂，且需要先填充纳米结构之间的间隙。
为了改善上述技术问题，发明人又提出了一种增透膜的设计方法。下面结合本申请实施例中的附图对本申请实施例进行描述。如图1所示，该增透膜的设计方法至少包括如下所示的步骤S1至步骤S4。
步骤S1，输入结构参数和膜优化参数。该结构参数包括超透镜参数、膜系折射率约束、膜系厚度约束。上述膜优化参数包括膜结构类型、膜层数和随机起始点个数。其中，膜系折射率约束和膜系厚度约束为可选择的膜系的折射率范围和厚度范围。
根据本申请的实施方式，前述超透镜参数包括纳米结构1的周期(也可以称为晶格常数)、超透镜的工作波段、纳米结构1的高度、纳米结构1的半径范围、纳米结构1的材料的折射率和基底3的折射率中的任意一种或多种的组合。根据本申请的实施方式，前述膜优化参数包括膜结构类型、膜层数和随机起始点个数。应理解，纳米结构1的折射率受入射辐射的波长和制备工艺等因素的影响。关于本申请实施例中涉及的超透镜，将会在后文中详细描述。
本申请的膜结构类型请参见图2至图5。本申请的一个实施例中，增透膜2覆盖超透镜的基底3。示例性地，如图2所示，增透膜2覆盖超透镜的基底3的一侧，基底3的该侧设有纳米结构1。本申请的另一个实施例中，增透膜2位于超透镜的纳米结构1的任意一端。示例性地，如图3的(a)所示，增透膜2位于超透镜的纳米结构1靠近基底3的一端。示例性地，如图3的(b)所示，增透膜2位于超透镜的纳米结构1的远离基底3的一端。可选地，如图4所示，本申请实施例提供的增透膜2分别位于超透镜的纳米结构1靠近基底3的一端和远离基底3的一端。如图5的(a)所示，本申请提供的增透膜2覆盖纳米结构1远离基底3的一端和基底3表面除纳米结构1之外的部分。如图5的(b)所示；增透膜2覆盖基底3靠近纳米结构1一侧的全部表面以及纳米结构1远离基底3的一端。
步骤S2，根据上述结构参数和上述膜优化参数计算超透镜的透过率信息和相位信息。可选地，本申请通过时域有限差分法(FDTD，Finite Difference Time Domain)计算超透镜无膜结构和镀膜结构的透过率信息或相位信息。
具体而言，如图6所示，本申请上述根据结构参数和膜优化参数计算超透镜的透过率信息和相位信息包括：
步骤S201，基于结构参数计算超透镜的无膜结构的透过率信息和相位信息；
步骤S202，基于结构参数和膜优化参数计算超透镜的镀膜结构的透过率信息和相位信息。
步骤S3，根据前述步骤S2计算得到的透过率信息和相位信息优化结构参数。可选地，步骤S3包括基于非线性规划函数优化算法得到结构参数的局部最优和/或全局最优。需要注意的是，在优化过程中，膜层数越多，计算涉及的膜系参数越多，计算过程越复杂。还应理解，随机起始点个数设置越多，找到全局最优的概率越高。理论上，除上述非线性规范函数优化算法外，本领域其他优化方法也可获得上述结构参数的局部最优和/或全局最优。
步骤S4，将前述步骤S3中优化所得的结构参数返回步骤S1，并重复步骤S1至步骤S3直至所述结构参数和/或所述膜优化参数满足优化算法的停止条件。根据本申请的实施方式，前述优化算法的停止条件包括：
膜优化参数满足设计要求；和/或
基于结构参数和膜优化参数计算的超透镜的透过率信息和相位信息满足设计要求。
应理解，上述超透镜的透过率信息至少包括透过率、平均透过率中的任一；上述超透镜的相位信息至少包括相位、归一化相位、相位覆盖率中的任一。可选地，膜优化满足设计要求包括，膜层数满足设计要求、膜结构满足设计要求等。例如，膜层数大于等于1。再例如，膜层数小于等于8。又例如，膜结构需满足增透膜2仅覆盖纳米结构1远离基底的一端。又例如，优化所得的超透镜的镀膜结构的透过率大于等于90％。应理解的是，透过率满足设计要求是在超透镜的相位实现设计要求的前提下。例如，设计要求规范了超透镜的焦距范围，则需优化超透镜的相位使超透镜的焦距落入设计要求中的规范的范围。还应理解的是，上述的任一优化算法的实现可以通过计算机编程语言实现。例如，MATLAB、C语言、C++和Python等等。接下来，本文以MATLAB为例对本申请实施例提供的增透膜的设计方法进行举例说明。
首先，在MATLAB中输入结构参数和膜优化参数。其中，结构参数包括超透镜参数、膜系折射率约束、膜系厚度约束。上述膜优化参数包括膜结构类型、膜层数和随机起始点个数；膜系折射率约束和膜系厚度约束为设计要求允许的膜系的折射率范围和厚度范围。
其次，用MATLAB子函数对FDTD调用，由MATLAB向FDTD中输入结构等参数。接着，通过FDTD计算超透镜无膜结构的透过率和相位，并从FDTD中向MATLAB返回透过率和相位，存入MATLAB工作区。可选地，单独通过FDTD也可实现超透镜无膜结构的透过率和相位的计算。但是，直接用MATLAB完成无膜结构和镀膜结构的调用计算时长更短。
循环程序，在MATLAB中调用优化子函数对膜优化参数限定的不同膜结构依次进行参数优化，优化子函数与FDTD传递数据，MATLAB子函数向FDTD传递结构参数和膜优化参数等，FDTD返回透过率和相位等参数，根据MATLAB内置的优化算法对返回的参数进行分析，搜索优化，参数传递迭代直到满足优化算法停止或结束条件时停止。最后，保存优化的膜系参数。前述参数优化中不同膜结构的顺序不做特别限定。示例性地，前述对膜优化参数限定的不同膜结构依次进行参数优化中，膜结构的顺序可以根据实际生产中工艺能够实现的可能性排列，也可以根据工艺的成本进行排序。
可选地，FDTD传递的数据还包括平均透过率和相位覆盖率等。需要理解的是，相位、透过率、归一化相位、平均透过率和相位覆盖率等参数的计算并不局限于通过FDTD计算，例如MATLAB也可以完成上述参数的计算。
实施例1
输入结构参数包括：超透镜的工作波长1550nm、纳米柱高度1000nm、晶格常数(或纳米结构排列周期)750nm、纳米结构形状为实心圆柱、纳米结构材料为硅(折射率为3.7)、基底材料为二氧化硅(折射率为1.44)以及纳米柱半径变化范围80-200nm。对相位覆盖接近2π的纳米结构求取平均透过率，在无膜情况下，纳米结构的透过率和归一化相位与纳米结构半径变化的关系如图7所示。根据图7可知，该超透镜的纳米结构的平均透过率为0.94。
参见上述的增透膜的设计方法，在MATLAB中输入待优化的纳米结构参数以及膜系折射率和厚度约束，每一层膜的厚度范围在10-1000nm，折射率范围为1.3-3。选择用图2所示的膜结构进行优化。设置最多八层膜结构，选择至少五个随机起始点进行优化。优化结果为：只镀一层膜情况下，膜的厚度为100-300nm，折射率为1.8-2.2。优化得到的超透镜镀膜结构对应的纳米结构的透过率和归一化相位与纳米结构半径变化的关系如图8所示。优化后纳米结构平均透过率为0.97。
实施例2
输入结构参数包括：超透镜的工作波长1550nm、纳米柱高度1000nm、晶格常数(或纳米结构排列周期)750nm、纳米结构形状为实心圆柱、纳米结构材料为硅(折射率为3.7)、基底材料为二氧化硅(折射率为1.44)以及纳米柱半径变化范围30-220nm。对相位覆盖接近2π的纳米结构求取平均透过率，在无膜情况下，纳米结构的透过率和归一化相位与纳米结构半径变化的关系如图7所示。根据图7可知，该超透镜的纳米结构的平均透过率为0.94。
参见上述的增透膜的设计方法，在MATLAB中输入待优化的纳米结构参数以及膜系折射率和厚度约束，每一层膜的厚度范围在10-1000nm，折射率范围为1.3-3。选择用图5所示的膜结构进行优化。设置最多八层膜结构，选择至少五个随机起始点进行优化。优化结果为：只镀一层膜情况下，膜的厚度为100-300nm，折射率为1.8-2.2。该镀膜结构对应的纳米结构的透过率和归一化相位与纳米结构半径变化的关系如图9所示。优化后超透镜镀膜结构上纳米结构的平均透过率为0.97。
实施例3
输入结构参数包括：超透镜的工作波长1550nm、纳米柱高度1000nm、晶格常数(或纳米结构排列周期)750nm、纳米结构形状为实心圆柱、纳米结构材料为硅(折射率为3.7)、基底材料为二氧化硅(折射率为1.44)以及纳米柱半径变化范围30-220nm。对相位覆盖接近2π的纳米结构求取平均透过率，在无膜情况下，纳米结构的透过率和归一化相位与纳米结构半径变化的关系如图7所示。根据图7可知，该超透镜的纳米结构的平均透过率为0.94。
参见上述的增透膜的设计方法，在MATLAB中输入结构参数以及膜系折射率和厚度约束，每一层膜的厚度范围在10-1000nm，折射率范围为1.3-3。选择用图5所示的膜结构进行优化。设置最多八层膜结构，选择至少五个随机起始点进行优化。优化结果为：在镀两层膜情况下，第一层膜和第二层膜从靠近基底至远离基底的方向依次堆叠，第一层膜的厚度为660-680nm，折射率为1.3-1.5；第二层膜的厚度为900-1000nm，折射率为1.4-1.6。该镀膜结构对应的纳米结构的透过率和归一化相位与纳米结构半径变化的关系如图10所示。优化后超透镜镀膜结构上纳米结构的平均透过率为0.97。
实施例4
输入结构参数包括：超透镜的工作波长1550nm、纳米柱高度1000nm、晶格常数(或纳米结构排列周期)750nm、纳米结构形状为实心圆柱、纳米结构材料为硅(折射率为3.7)、基底材料为二氧化硅(折射率为1.44)以及纳米柱半径变化范围30-220nm。对相位覆盖接近2π的纳米结构求取平均透过率，在无膜情况下，纳米结构的透过率和归一化相位与纳米结构半径变化的关系如图7所示。根据图7可知，该超透镜的纳米结构的平均透过率为0.94。
参见上述的增透膜的设计方法，在MATLAB中输入结构参数以及膜系折射率和厚度约束，每一层膜的厚度范围在10-1000nm，折射率范围为1.3-3。选择用图5所示的膜结构进行优化。设置最多八层膜结构，选择至少五个随机起始点进行优化。优化结果为：在镀四层膜情况下，第一层至第四层膜从靠近基底至远离基底的方向依次堆叠，第一层至第四层膜的厚度依次为10-40nm、900-1000nm、180-200nm、10-20nm，折射率依次为1.6-1.8、1.4-1.6、1.3-1.4、1.3-1.5。该镀膜结构对应的纳米结构的透过率和归一化相位与纳米结构半径变化的关系如图11所示。优化后超透镜镀膜结构上纳米结构的平均透过率为0.97。
实施例5
输入结构参数包括：超透镜的工作波长1550nm、纳米柱高度1000nm、晶格常数(或纳米结构排列周期)750nm、纳米结构形状为实心圆柱、纳米结构材料为硅(折射率为3.7)、基底材料为二氧化硅(折射率为1.44)以及纳米柱半径变化范围90-200nm。对相位覆盖接近2π的纳米结构求取平均透过率，在无膜情况下，纳米结构的透过率和归一化相位与纳米结构半径变化的关系如图7所示。根据图7可知，该超透镜的纳米结构的平均透过率为0.94。
参见上述的增透膜的设计方法，在MATLAB中输入结构参数以及膜系折射率和厚度约束，每一层膜的厚度范围在10-1000nm，折射率范围为1.3-3。选择用图3中的(b)所示的膜结构进行优化。设置最多八层膜结构，选择至少五个随机起始点进行优化。优化结果为：在镀一层膜情况下，膜的厚度40-60nm，折射率分别为1.9-2.1。该镀膜结构对应的纳米结构的透过率和归一化相位与纳米结构半径变化的关系如图12所示。优化后超透镜镀膜结构上纳米结构的平均透过率为0.97。
实施例6
输入结构参数包括：超透镜的工作波长1550nm、纳米柱高度1000nm、晶格常数(或纳米结构排列周期)750nm、纳米结构形状为实心圆柱、纳米结构材料为硅(折射率为3.7)、基底材料为二氧化硅(折射率为1.44)以及纳米柱半径变化范围90-200nm。对相位覆盖接近2π的纳米结构求取平均透过率，在无膜情况下，纳米结构的透过率和归一化相位与纳米结构半径变化的关系如图7所示。根据图7可知，该超透镜的纳米结构的平均透过率为0.94。
参见上述的增透膜的设计方法，在MATLAB中输入结构参数以及膜系折射率和厚度约束，每一层膜的厚度范围在10-1000nm，折射率范围为1.3-3。选择用图4所示的膜结构进行优化。设置最多八层膜结构，选择至少五个随机起始点进行优化。优化结果为：在纳米结构的两端各只镀一层膜情况下，纳米结构顶端的膜厚度为10-20nm，纳米结构底端的膜厚度为260-280nm。纳米结构上顶端的折射率为1.9-2.1，纳米结构上顶端的折射率为1.9-2.1。该镀膜结构对应的纳米结构的透过率和归一化相位与纳米结构半径变化的关系如图13所示。优化后超透镜镀膜结构上纳米结构的平均透过率为0.98。
实施例7
输入结构参数包括：超透镜的工作波长1550nm、纳米柱高度1000nm、晶格常数(或纳米结构排列周期)750nm、纳米结构形状为实心圆柱、纳米结构材料为硅(折射率为3.47)、基底材料为二氧化硅(折射率为1.44)以及纳米柱半径变化范围90-250nm。对相位覆盖接近2π的纳米结构求取平均透过率，在无膜情况下，纳米结构的透过率和归一化相位与纳米结构半径变化的关系如图14所示。根据图14可知，该超透镜的纳米结构的平均透过率为0.96。
参见上述的增透膜的设计方法，在MATLAB中输入结构参数以及膜系折射率和厚度约束，每一层膜的厚度范围在10-1000nm，折射率范围为1.3-3。选择用图4所示的膜结构进行优化。设置最多八层膜结构，选择至少五个随机起始点进行优化。优化结果为：在纳米结构的两端各只镀一层膜情况下，纳米结构顶端的膜厚度为300-330nm，纳米结构底端的膜厚度为600-700nm。纳米结构上顶端的折射率为1.9-2.1，纳米结构上顶端的折射率为1.9-2.1。该镀膜结构对应的纳米结构的透过率和归一化相位与纳米结构半径变化的关系如图15所示。优化后超透镜镀膜结构上纳米结构的平均透过率为0.98。
因此，本申请实施例的增透膜的设计方法，通过根据结构参数和膜优化参数计算超透镜的透过率和相位，然后根据透过率和相位优化结构参数，通过循环上述步骤得到满足优化算法的停止条件的结构参数和/或膜优化参数，借此得到了适用于超透镜的增透膜，改善了超透镜的透过率。并且，本申请实施例提供的增透膜的设计方法相较于计算等效折射率和等效消光系数的方法节约了计算时间，可以在设计过程中优化更多的膜结构类型。
上文结合图1至图15，详细描述了本申请实施例提供的增透膜的设计方法，该方法也可以通过相应的装置实现，下面将结合图16至图18，详细描述本申请实施例提供的增透膜的设计装置。
图16示出了本申请实施例所提供的一种增透膜的设计装置的结构示意图。如图16所示，该增透膜的设计装置包括：
输入模块10，用于输入结构参数和膜优化参数；
仿真模块20，用于计算超透镜的透过率和相位；
优化模块30，用于优化结构参数。
可选地，如图17所示，该增透膜的设计装置还包括交换模块40，用于存储仿真模块20与优化模块30的计算结果，并实现仿真模块20与优化模块30之间的数据交换。
因此，本申请实施例的增透膜的设计装置，根据输入装置输入结构参数和膜优化参数，通过仿真模块计算超透镜的透过率和相位，然后利用优化模块根据透过率和相位优化结构参数，然后循环上述步骤得到满足优化算法的停止条件的结构参数和/或膜优化参数，借此得到了适用于超透镜的增透膜，改善了超透镜的透过率。并且，本申请实施例提供的增透膜的设计方法相较于计算等效折射率和等效消光系数的方法节约了计算时间，可以在设计过程中优化更多的膜结构类型。
需要说明的是，上述实施例提供的增透膜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)完成。也可以根据需要将上述功能分配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，上述实施例提供的增透膜的设计装置与增透膜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。
此外，本申请实施例还提供了一种电子设备，包括总线、收发器、存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，该收发器、该存储器和处理器分别通过总线相连，计算机程序被处理器执行时实现上述增透膜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。
具体的，参见图18所示，本申请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。
在本申请实施例中，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执行时实现以下步骤：
步骤S1，输入结构参数和膜优化参数，结构参数包括超透镜参数、膜系折射率约束、膜系厚度约束；膜优化参数包括膜结构类型、膜层数和随机起始点；
步骤S2，根据结构参数和膜优化参数计算超透镜的透过率和相位；
步骤S3，根据透过率和相位优化所述结构参数；
步骤S4，将步骤S3中经优化的结构参数返回步骤S1，并重复步骤S1至步骤S4直至结构参数和/或膜优化参数满足优化算法的停止条件。
可选地，计算机程序被处理器1120执行时还可实现以下步骤：
步骤S201，基于结构参数计算超透镜的无膜结构的透过率和相位；
步骤S202，基于结构参数和膜优化参数计算超透镜的镀膜结构的透过率和相位。
可选地，计算机程序被处理器1120执行步骤S2时，使得处理器具体实现以下步骤：
步骤S201，基于结构参数计算超透镜的无膜结构的透过率和相位；
步骤S202，基于结构参数和膜优化参数计算超透镜的镀膜结构的透过率和相位。
收发器1130，用于在处理器1120的控制下接收和发送数据。
本申请实施例中，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。可以实现或执行本申请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。结合本申请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(Programmable ROM，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，本申请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，在本申请实施例中，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 Mobile Broadband，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，本申请实施例中的存储器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(Programmable ROM，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(Electrically EPROM，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(Synchlink DRAM，SLDRAM)和直接内存总线随机存取存储器(DirectRambus RAM，DRRAM)。本申请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。
在本申请实施例中，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。实现本申请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，本申请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增透膜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。按照本申请实施例中的界定，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申请实施例方案要解决的问题。
另外，在本申请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，本申请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)执行本申请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。
接下来结合图19至图22对本申请实施例提供的超透镜进行详细描述。
超透镜是一种超表面，如图19所示，超表面为一层亚波长的人工纳米结构膜，可通过其上设置的纳米结构单元来对入射光的振幅、相位和偏振进行调制，其中需要说明的是，纳米结构1可理解为包含全介质或电介质的、能够导致相位突变的亚波长结构，而纳米结构单元为通过对超透镜进行划分而得到以每个纳米结构1为中心的结构单元。在超透镜中纳米结构周期性排布在基底3上，其中每个周期中的纳米结构组成一个超结构单元，其中超结构单元为可密堆积图形，例如可以为正四边形，正六边形等等，每个周期中包含一组纳米结构1，并且超结构单元的顶点和/或中心例如可以设置有纳米结构。在超结构单元为正六边形的情况下，正六边形各顶点和中心位置至少设置有一个纳米结构。或者，在其为正方形的情况下，正方形各顶点和中心位置至少设置有一个纳米结构1。理想状态下，超结构单元应为六边形顶点及中心排布的纳米结构，或者为正方形顶点及中心排布的纳米结构1，应当理解，实际产品可能因超透镜形状的限制，在超透镜边缘有纳米结构的缺失，使其不满足完整的六边形/正方形。具体的，如图20所示，所述超结构单元由纳米结构1按照规律排布而成，若干个超结构单元成阵列排布形成超表面结构。
如图20左部分示出的一个实施例，超结构单元包括一个中间的纳米结构1和环绕其的6个与其距离相等的周边的纳米结构1，各周边纳米结构沿着环周均匀分布，组成正六边形，也可理解为多个纳米结构1组成的正三角形互相组合。
如图20中间部分示出的一个实施例，超结构单元包括一个中间的纳米结构和环绕其的4个与其距离相等的周边的纳米结构1，组成正方形。
超结构单元及其密堆/阵列的形式也可以是圆周排列的扇形，如图20右部分示出的，包括两个弧形边的扇形，也可以是一个弧形边的扇形，如图20右部分中的左下角区域，在扇形的各边交点以及中心设置有纳米结构1。
示例性地，本申请实施例提供的纳米结构1可以是偏振无关结构，此类结构对入射光施加一个传播相位。根据本申请的实施方式，纳米结构1可以是正结构，也可以是负结构。例如，纳米结构1的形状为圆柱或棱柱等。示例性地，所述纳米结构1是实心的或中空的。图21示出了纳米结构1为圆柱时的纳米结构单元的结构示意图。
示例性地，纳米结构1可以是偏振相关结构，此类结构对入射光施加一个几何相位。纳米结构1可以是正结构也可以是负结构。例如，纳米结构1可以是椭圆形柱、纳米鳍等结构。图22示出了纳米结构1为纳米鳍时的纳米结构单元的结构示意图。根据本申请的实施方式，纳米结构的特征尺寸大于或等于0.2λc，且小于或等于0.8λc；λc为入射辐射的中心波长。
根据本申请的实施方式，可选地，纳米结构1的排列周期大于或等于0.3λc，且小于或等于2λc；其中，λc为工作波段的中心波长。根据本申请的实施方式，可选地，纳米结构1的高度大于或等于0.3λc，且小于或等于5λc；其中，λc为工作波段的中心波长。根据本申请的实施方式，示例性地，纳米结构1的特征尺寸大于或等于0.2λc，且小于或等于0.8λc；λc为入射辐射的中心波长。
需要注意的是，本申请实施例提供的超透镜可以通过半导体工艺加工，具有重量轻、厚度薄、结构及工艺简单、成本低及量产一致性高等优点。
以上所述，仅为本申请实施例的具体实施方式，但本申请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申请实施例披露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请实施例的保护范围之内。因此，本申请实施例的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (14)

1.一种增透膜的设计方法，其特征在于，所述设计方法包括：
步骤S1，输入结构参数和膜优化参数，所述结构参数包括超透镜参数、膜系折射率约束、膜系厚度约束；所述膜优化参数包括膜结构类型、膜层数和随机起始点计算个数；
步骤S2，根据所述结构参数和所述膜优化参数计算超透镜的透过率信息和相位信息；
步骤S3，根据所述透过率信息和所述相位信息优化所述结构参数；
步骤S4，将所述步骤S3中优化所得的结构参数返回所述步骤S1，并重复所述步骤S1至所述步骤S3直至所述结构参数和/或所述膜优化参数满足优化算法的停止条件。
2.根据权利要求1所述的增透膜的设计方法，其特征在于，所述步骤S2包括基于有限元分析方法计算所述透过率信息和所述相位信息。
3.根据权利要求1所述的增透膜的设计方法，其特征在于，所述步骤S3包括基于非线性规划函数优化算法得到所述结构参数的局部最优和/或全局最优。
4.根据权利要求1或2所述的增透膜的设计方法，其特征在于，所述步骤S2包括：
步骤S201，基于所述结构参数计算所述超透镜的无膜结构的透过率信息和相位信息；
步骤S202，基于所述结构参数和所述膜优化参数计算所述超透镜的镀膜结构的透过率信息和相位信息。
5.根据权利要求1或3所述的增透膜的设计方法，其特征在于，所述超透镜参数包括纳米结构的周期、所述超透镜的工作波段、所述纳米结构的高度、所述纳米结构的半径范围、所述纳米结构的材料的折射率和基底的折射率中的任意一种或多种的组合。
6.根据权利要求1所述的增透膜的设计方法，其特征在于，所述膜结构类型包括：
所述增透膜覆盖所述超透镜的基底；或
所述增透膜位于所述超透镜的纳米结构的任意一端；或
所述增透膜位于所述纳米结构靠近所述基底的一端和远离所述基底的一端；或
所述增透膜覆盖所述纳米结构远离所述基底的一端和所述基底表面除所述纳米结构之外的部分；或
所述增透膜覆盖所述基底靠近纳米结构一侧的全部表面以及所述纳米结构远离所述基底的一端。
7.根据权利要求1所述的增透膜的设计方法，其特征在于，所述优化算法的停止条件包括：
所述膜优化参数满足设计要求；和/或
基于所述结构参数和所述膜优化参数计算的超透镜的透过率信息和相位信息满足设计要求。
8.根据权利要求7所述的增透膜的设计方法，其特征在于，所述所述膜优化参数满足设计要求包括膜层数大于等于1。
9.根据权利要求7所述的增透膜的设计方法，其特征在于，所述基于所述结构参数和所述膜优化参数计算的超透镜的透过率满足设计要求包括所述透过率大于等于90％。
10.根据权利要求1、2或7中任一所述的增透膜的设计方法，其特征在于，所述透过率信息至少包括：超透镜的透过率或平均透过率中的任一；所述相位信息至少包括：相位、归一化相位或相位覆盖率中的任一。
11.一种增透膜的设计装置，其特征在于，适用于如权利要求1至9中任一所述的增透膜的设计方法，所述设计装置包括：
输入模块，用于输入结构参数和膜优化参数；
仿真模块，用于计算超透镜的透过率和相位；
优化模块，用于优化所述结构参数。
12.根据权利要求11所述的增透膜的设计装置，其特征在于，所述设计装置还包括：
交换模块，用于存储所述仿真模块与所述优化模块的计算结果，并实现所述仿真模块与所述优化模块之间的数据交换。
13.一种电子设备，所述电子设备包括总线、收发器、存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述收发器、所述存储器和所述处理器通过所述总线相连，其特征在于，所述计算机程序被所述处理器执行时实现如权利要求1至10中任一项所述的增透膜的设计方法中的步骤。
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中任一项所述的增透膜的设计方法中的步骤。
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