CN117406436B - 透镜组生成方法、装置、透镜组、设备和存储介质 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种透镜组生成方法、装置、透镜组、设备和存储介质，方法包括：确定在第一波长下，成像质量满足预设条件时的透镜组的参数；其中，透镜组的参数包括第一透镜的第一相位调制量和第二透镜的目标面型，第一透镜包含超构表面；确定在第二波长下，以及在第二透镜取用目标面型的基础上，成像质量满足预设条件时的第一透镜的第二相位调制量；获取与第一相位调制量和第二相位调制量相匹配的第一目标透镜，以及符合目标面型的第二目标透镜，基于第一目标透镜和第二目标透镜构建透镜组。采用本方法能够解决透镜组成像效果差的问题，实现透镜组成像质量的提升。
Description
技术领域
本申请涉及超透镜技术领域，特别是涉及透镜组生成方法、装置、透镜组、设备和存储介质。
背景技术
折衍混合透镜组是光学系统中的一种复杂光学元件，用于调整和改变光线的传播方向、焦距和其他光学特性。这种类型的透镜组通常由不同类型的透镜组合而成，以实现特定的光学性能，例如聚焦、消轴外像差、色差校正等。
其中，折射透镜通过折射透镜材料的负色散和衍射透镜产生的正色散来减小镜组的色差的影响。但是，普通的衍射透镜由不同水平的台阶数得到，这种基于多次嵌套的台阶其相位拟合精度有限，这种限制会导致衍射效率的缺失，从而引入轴外像散、慧差、畸变等像差，影响镜组的成像效果。
针对相关技术中存在透镜组成像效果差的问题，目前还没有提出有效的解决方案。
发明内容
在本实施例中提供了一种透镜组生成方法、装置、透镜组、设备和存储介质，以解决相关技术中透镜组成像效果差的问题。
第一个方面，在本实施例中提供了一种透镜组生成方法，所述方法包括：
确定在第一波长下，成像质量满足预设条件时的透镜组的参数；其中，所述透镜组的参数包括第一透镜的第一相位调制量和第二透镜的目标面型，所述第一透镜包含超构表面；
确定在第二波长下，以及在所述第二透镜取用所述目标面型的基础上，成像质量满足所述预设条件时的所述第一透镜的第二相位调制量；
获取与所述第一相位调制量和所述第二相位调制量相匹配的第一目标透镜，以及符合所述目标面型的第二目标透镜，基于所述第一目标透镜和所述第二目标透镜构建所述透镜组。
在其中的一些实施例中，确定在第一波长下，成像质量满足预设条件时的第一透镜的第一相位调制量，包括：
当所述成像质量满足所述预设条件时，并且所述第一透镜的相位面符合所述偶数次多项式函数的约束关系时，得到所述第一相位面参数；
根据所述第一相位面参数得到所述第一相位调制量。
在其中的一些实施例中，所述第一目标透镜包括衬底和纳米柱，所述纳米柱与所述衬底连接，获取与所述第一相位调制量和所述第二相位调制量相匹配的第一目标透镜，包括：
获取多个由所述纳米柱构成纳米柱阵列，各所述纳米柱阵列中的纳米柱的几何参数不同；
分别在所述第一波长和所述第二波长下，获取所述纳米柱阵列的真实相位调制量和透射率；
根据所述第一波长下的真实相位调制量与所述第一相位调制量之间的第一差值，以及所述第二波长下的真实相位调制量与所述第二相位调制量之间的第二差值，在多个所述纳米柱阵列中选取目标纳米柱阵列；
根据所述目标纳米柱阵列得到所述第一目标透镜。
在其中的一些实施例中，获取多个由所述纳米柱构成纳米柱阵列，包括：
分别在所述第一波长和所述第二波长下，基于预设间距对所述第一目标透镜的超构表面进行采样，得到纳米柱的边长范围；
分别获取所述第一波长和所述第二波长下的纳米柱的相位延迟范围，当所述相位延迟范围大于预设范围时，得到所述纳米柱的高度范围；
基于符合所述边长范围和高度范围的纳米柱，得到多个所述纳米柱阵列。
在其中的一些实施例中，获取所述第一相位调制量，包括：
确定在所述第一波长下，成像质量满足预设条件时所述第一透镜的第一相位面参数；
根据所述第一相位面参数，得到所述第一透镜的第一相位调制量。
在其中的一些实施例中，判断所述透镜组的成像质量是否满足所述预设条件，包括：
调整所述透镜组的参数时，在预设视场角范围内模拟所述透镜组的成像；
根据模拟成像的畸变程度判断所述透镜组的成像质量是否满足预设条件。
第二个方面，在本实施例中提供了一种透镜组，所述透镜组包括依次排列且位于同一光路上的第一目标透镜、第二目标透镜和成像元件，所述第一目标透镜包含超构表面；其中，
所述第一目标透镜和所述第二目标透镜基于上述第一个方面所述的透镜组生成方法生成。
第三个方面，在本实施例中提供了一种透镜组生成装置，所述装置包括：
第一参数获取模块，用于确定在第一波长下，成像质量满足预设条件时的透镜组的参数；其中，所述透镜组的参数包括第一透镜的第一相位调制量和第二透镜的目标面型，所述第一透镜包含超构表面；
第二参数获取模块，用于确定在第二波长下，以及在所述第二透镜取用所述目标面型的基础上，成像质量满足所述预设条件时的所述第一透镜的第二相位调制量；
构建模块，用于获取符合所述第一相位调制量和所述第二相位调制量的第一目标透镜，以及符合所述目标面型的第二目标透镜，基于所述第一目标透镜和所述第二目标透镜构建所述透镜组。
第四个方面，在本实施例中提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器以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，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述第一个方面所述的透镜组生成方法。
第五个方面，在本实施例中提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述第一个方面所述的透镜组生成方法。
与相关技术相比，在本实施例中提供的透镜组生成方法、装置、透镜组、设备和存储介质，不同波长且第二目标透镜面型固定的情况下，第一目标透镜可以满足不同的相位调制量的需求，因此，在不同波长下，第一目标透镜和第二目标透镜实际的相位拟合情况满足透镜组在预设条件下的成像需求，从而减小了透镜组的成像畸变，消除了像差，解决了透镜组成像效果差的问题，实现了透镜组成像质量的提升。
本申请的一个或多个实施例的细节在以下附图和描述中提出，以使本申请的其他特征、目的和优点更加简明易懂。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1是一实施例中透镜组生成方法的流程示意图；
图2是一实施例中混合透镜组生成方法的流程示意图；
图3是一实施例中混合透镜组的结构示意图；
图4是一实施例中第一透镜的MTF分布图；
图5是一实施例中优化后的混合透镜组成像畸变的变化曲线；
图6是一实施例中单元结构的模型示意图；
图7是一实施例中525nm波长下单元结构边长-相位分布图；
图8是一实施例中单元结构的边长-波长-相位分布图；
图9是一实施例中单元结构的边长-波长-透射率分布图；
图10是一实施例中第一透镜在多个波长下的平均透射率分布示意图；
图11是一实施例中第一透镜部分结构的示意图；
图12是一实施例中第一透镜在不同波长下的相位拟合示意图；其中，图12的（a）为515nm波长下的相位拟合示意图，图12的（b）为520nm波长下的相位拟合示意图，图12的（c）为525nm波长下的相位拟合示意图，图12的（d）为530nm波长下的相位拟合示意图，图12的（e）为535nm波长下的相位拟合示意图；
图13是一实施例中第一透镜在不同波长下的透射率分布示意图；其中，图13的（a）为515nm波长下的透射率分布图，图13的（b）为520nm波长下的透射率分布图，图13的（c）为525nm波长下的透射率分布图，图13的（d）为530nm波长下的透射率分布图，图13的（e）为535nm波长下的透射率分布图；
图14是一实施例中不同波长下混合透镜组光轴上及光轴外MTF示意图；
图15是一实施例中混合透镜组分辨率和传统透镜组分辨率的对比图；其中，图15的（a）为传统透镜组在排列周期u等于0.3nm时的分辨率图，图15的（b）为混合透镜组在排列周期u等于0.42nm时的分辨率图；
图16是一实施例中第一相位拟合周期下混合透镜组分辨率的示意图；其中，图16的（a）为波长525nm下混合透镜组分辨率图，图16的（b）为波长510nm下混合透镜组分辨率图，图16的（c）为波长540nm下混合透镜组分辨率图；
图17是一实施例中第一相位拟合周期下传统透镜组分辨率的示意图；其中，图17的（a）提供了波长525nm下传统透镜组分辨率图，图17的（b）提供了波长510nm时传统透镜组分辨率图，图17的（c）提供了波长540nm下传统透镜组分辨率图；
图18是一实施例中透镜组生成装置的结构框图；
图19是一实施例中计算机设备的内部结构图。
附图标记：1、超透镜；2、非球面透镜；3、成像平面；4、纳米柱；5、衬底。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
在一个实施例中，如图1所示，提供了一种透镜组生成方法，本实施例以该方法应用于终端进行举例说明，可以理解的是，该方法也可以应用于服务器，还可以应用于包括终端和服务器的系统，并通过终端和服务器的交互实现。本实施例中，以该方法应用于图1中的终端为例进行说明，包括以下步骤：
步骤S101，确定在第一波长下，成像质量满足预设条件时的透镜组的参数；其中，透镜组的参数包括第一透镜的第一相位面调制量和第二透镜的目标面型，第一透镜包含超构表面。
其中，第一波长位于透镜组的工作波长范围内。预设条件用于指示透镜组的成像质量，可以根据用户需求设置，例如，预设条件可以是成像畸变程度最小，也可以是成像分辨率最高。第二透镜可以是聚焦元件，例如衍射透镜；也可以是发散元件，例如凹面镜。相位调制量用于指示透镜对光波的相位变换作用，第一相位面调制量为第一波长下，第一透镜超构表面的相位面拟合时所需的理论相位值。
可选地，根据光谱确定透镜组的工作波长范围，第一波长处于该波长范围之内。通过获取成像质量满足预设条件时的透镜组的参数，优化第一波长下透镜组的像差，使得第一波长下，符合第一相位面调制量的第一透镜和取用目标面型的第二透镜所构成的透镜组满足预设条件、具备高成像质量。
步骤S102，确定在第二波长下，以及在第二透镜取用目标面型的基础上，成像质量满足预设条件时的第一透镜的第二相位面调制量。
其中，第二相位面调制量为第二波长下，第一透镜超构表面的相位面拟合所需的理论相位值。第二波长位于透镜组的工作波长范围内，且第二波长的值与第一波长的值不同。可选地，根据光谱确定透镜组的工作波长范围，在工作波长范围之内获取多个与第一波长不同的第二波长。分别在多个第二波长下，得到多个对应的第二相位面调制量。
步骤S103，获取与第一相位调制量和第二相位调制量相匹配的第一目标透镜，以及符合目标面型的第二目标透镜，基于第一目标透镜和第二目标透镜构建透镜组。
根据第一相位调制量和第二相位调制量设计第一目标透镜中超构表面的面型，使得第一目标透镜能够在第一波长和第二波长下同时满足相位面的调制需求。基于第一目标透镜和第二目标透镜构建得到的透镜组内，光线可以先后通过第一目标透镜和第二目标透镜，并生成满足预设条件的成像图像。
可选地，可以选取第一波长下的相位面调制量符合第一相位调制量，并且第二波长下的相位面调制量符合第二相位调制量的透镜，作为与第一相位调制量和第二相位调制量相匹配的第一目标透镜。还可以将第一波长下真实相位调制量与第一相位调制量之间的差值较小，且第二波长下真实相位调制量与第一相位调制量之间的差值较小的透镜，作为第一目标透镜。
上述透镜组生成方法中，由于透镜的面型与透镜生成的色散相关联，因此，本实施例在第一波长下，透镜组的成像满足预设条件时得到的透镜组的参数，可以使得第一相位面调制量的第一透镜生成的色散与目标面型下的第二透镜生成的色散相互抵消，消除透镜组成像时的色散。在第二透镜取用目标面型的情况下，由于波长发生了改变，所以透镜组满足预设条件时，第一透镜相位面参数随波长的改变而改变，从而得到第二相位面调制量。由于第一目标透镜同时符合第一相位调制量和第二相位调制量，因此在不同波长且第二目标透镜面型固定的情况下，第一目标透镜实际的相位拟合情况与理论情况接近，即第一目标透镜对光波相位分布的调制在不同波长下皆满足预设条件时透镜组的成像需求，从而减小了透镜组的成像畸变，消除了像差，解决了透镜组成像效果差的问题。
在其中的一些实施例中，确定在第一波长下，成像质量满足预设条件时的第一透镜的第一相位调制量，包括：当成像质量满足预设条件时，并且第一透镜的相位面符合偶数次多项式函数的约束关系时，得到第一相位面参数；根据第一相位面参数得到第一相位调制量。
其中，第一相位面参数与第一透镜超构表面的相位面对应。让第一透镜的相位面符合偶数次多项式函数的约束关系，可以使得第一透镜的相位面满足轴对称条件，实现光束的聚焦或准直，从而消除轴外像差，最大化地提高第一波长下透镜组的成像质量。同时，偶数次多项式函数的次数越高，设计得到的第一透镜拟合精度相应增大，从而增加了第一透镜的设计自由度，使得第一相位面参数下的第一透镜可以实现高偶数次的相位面拟合。
其中，获取第一相位调制量包括，包括：确定在第一波长下，成像质量满足预设条件时所述第一透镜的第一相位面参数；根据第一相位面参数，得到所述第一透镜的第一相位调制量。相位面参数包括相位面符合的函数式的系数以及归一化坐标。第一透镜的归一化坐标为归一化单位下第一透镜的径向位置。其中，归一化坐标不影响透镜组成像时生成时的像差，可以在确定第一透镜的归一化坐标后，基于归一化坐标和相位面参数，得到相位调制量；也可以直接基于相位面参数，得到相位调制量。
同理，也可以在第二波长下，基于偶数次多项式函数调整第一透镜的相位面参数；当成像质量满足预设条件时，并且相位面符合偶数次多项式函数的约束关系时，得到第二相位面参数，根据第二相位面参数得到第二相位调制量。
示例性地，以第一透镜的相位面符合偶数次多项式函数的约束关系，且根据归一化坐标和第一相位面参数，得到第一透镜的相位调制量为例，包括：
获取归一化坐标ρ，计算公式如下：
其中，根据x为第一透镜的超构表面上纳米柱4的横坐标，y为第一透镜的超构表面上纳米柱4的纵坐标，rNorm为超透镜1的归一化半径。
获取相位调制量φ，计算公式如下：
其中，M为衍射级次，可以根据用户需求设置得到，N为偶数次多项式中系数的个数，Ai为偶数次多项式中不同幂次的系数。
在其中的一些实施例中，判断透镜组的成像质量是否满足预设条件，包括：调整透镜组的参数时，在预设视场角范围内模拟透镜组的成像；根据模拟成像的畸变程度判断透镜组的成像质量是否满足预设条件。其中，预设视角范围可以根据透镜组的数值孔径和出瞳口径得到，数值孔径和出瞳口径由用户设置。可选地，通过为透镜组选取较大的数值孔径和较大的出瞳口径，实现大视角范围内的透镜组高质量成像。
可选地，可以通过调制传递函数得到不同参数下透镜组模拟成像的畸变程度。通过调整透镜组的参数，在模拟成像的畸变程度最低时，判断透镜组的成像质量是否满足预设条件，并获取当前透镜组的参数。
在获取第一相位调制量、第二相位调制量和目标面型后，即可根据这些透镜组的参数选取第一目标透镜和第二目标透镜；其中，第二目标透镜符合目标面型。下述实施例提第一目标透镜的获取方法。
在其中的一些实施例中，第一目标透镜包括衬底5和纳米柱4，纳米柱4与衬底5连接，获取与第一相位调制量和第二相位调制量相匹配的第一目标透镜，包括：获取多个由纳米柱4构成纳米柱阵列，各纳米柱阵列中的纳米柱4的几何参数不同；分别在第一波长和第二波长下，获取纳米柱阵列的真实相位调制量；根据第一波长下的真实相位调制量与第一相位调制量之间的第一差值，以及第二波长下的真实相位调制量与第二相位调制量之间的第二差值，在多个纳米柱阵列中选取目标纳米柱阵列；根据所述目标纳米柱阵列得到所述第一目标透镜。
其中，纳米柱4与衬底5保持垂直关系，各纳米柱阵列中的纳米柱4的几何参数包括纳米柱4底面的边长。由几何参数不同的纳米柱4构成的各纳米柱阵列，在同一波长下的真实相位调制量不同。其中，第一差值、第二差值小，目标纳米柱阵列的拟合精度高。可选地，计算第一差值和第二差值的差值和，将差值和最小的纳米柱阵列选取为目标纳米柱阵列；也可以基于其他评价方法处理多个差值以选取目标纳米柱阵列。
本实施例中，分别获取第一相位调制量和第二相位调制量与真实相位调制量之间的差值，得到不同波长下纳米柱阵列相位调制的符合情况，基于符合最好的纳米柱阵列，可以使得第一透镜在不同波长下均较好地消除轴外像差和畸变。
示例性地，除真实相位调制量以外，不同几何参数的纳米柱4构成的各个纳米柱阵列，在同一波长下的透射率也不相同。因此，还可以根据第一差值、第二差值和透射率选取目标纳米柱阵列。获取透射率和理想透射率之间的差值，为透射率的差值和相位调制量的差值设置不同的权重，加权求和得到纳米柱阵列的评价分数，基于评价分数选取目标纳米柱阵列。
在其中的一些实施例中，获取多个由纳米柱4构成纳米柱阵列，包括：分别在第一波长和第二波长下，基于预设间距对第一目标透镜的超构表面进行采样，得到纳米柱4的边长范围；分别获取第一波长和第二波长下的纳米柱4的相位延迟范围，当相位延迟范围大于预设范围时，得到纳米柱4的高度范围；基于符合边长范围和高度范围的纳米柱4，得到多个纳米柱阵列。预设间距为纳米柱阵列中每两个相邻纳米柱4之间的距离。预设范围为透镜相位延迟的范围，可根据需求设置。可选地，预设范围为2π，当纳米柱4的相位延迟范围大于2π时，纳米柱4构成的第一目标透镜可以满足偶数次多项式项相位面型的所有相位要求，且第一目标透镜保持较高的透射率。
在其中一个实施例中，如图2所示，提供了一种混合透镜组生成方法的流程图，步骤如下：
步骤S201，设计超透镜1的设计工作波长范围。
其中，波长工作范围为Δλ，将中心波长λn设置为第一波长，基于预设的距离对波长工作范围进行采样，得到与第一波长不同的第二波长。以透镜组针对绿光LED灯的光谱进行消色差为例，工作波长范围为515nm-535nm，其中，中心波长λn=525nm。每隔5nm采样，得到515nm，520nm，525nm，530nm，535nm总共5个波长。则第一波长为525nm，第二波长为515nm，520nm，530nm，535nm。
步骤S202，根据透镜组工作所需的功能得到透镜组的参数。
以透镜组为紧凑型透镜组，并且投透镜组为投影式折超混合镜组为例设计时：为满足透镜组的功能，设置透镜组的数值孔径NA>0.22，出瞳口径为3.5mm，透镜组的总长<7.5mm。第一透镜选用超透镜1，其Metasurface（超构表面）的衬底5选择厚度为0.7mm的玻璃。第二透镜选用非球面透镜2，像面选取0.5mm的玻璃作为保护层保护LED。图3是本实施例中混合透镜组的结构示意图，线条用于指示光线传播方向，混合透镜组包括超透镜1、非球面透镜2和成像平面3。其中，基于非球面透镜2可以实现对光线的会聚，从而减少透镜组成像时的轴外像差。同时，非球面透镜2的设计自由度高，使得超透镜1的相位面型控制在可以加工的范围内。基于图3所示的混合透镜组，可以在很短的总长和较大的口径里面轴外像差和色差的消除。
步骤S203，优化第一透镜超构表面的相位和第二透镜的面型参数。
分别在第一波长和第二波长下调整透镜组的参数，同时对所述透镜组进行模拟成像，根据模拟成像的畸变程度判断透镜组的成像质量是否满足预设条件，在模拟成像的畸变程度最小时，得到第二透镜的目标面型和第一透镜的第一相位面参数。透镜组成像时，第一透镜和第二透镜的色散相反，因此透镜组成像具备一定的消色差能力。可以基于Zemax优化第一透镜超构表面的相位和第二透镜的面型，也可以基于其他软件或者实验方法实现混合透镜组的模拟成像。由于第一透镜包括超构表面，因此第一透镜的相位面的面型设计不受衍射型器件的加工限制，可以实现高偶数次的相位面拟合。
示例性地，第一波长选用中心波长525nm，通过参数优化得到第二透镜的非球面玻璃材料为PMMA（polymethyl methacrylate，聚甲基丙烯酸甲酯）。其中，第二透镜的第一面曲率为-8.213mm，厚度为1.542mm，二次曲线常数conic为-58.157，二次项系数0，四次项系数0.046，六次项系数-0.023，八次项系数0.023，十次项系数-0.012，十二次项系数-0.033，十四次项系数-5.37e-4，十六次项系数3.246e-5。第二透镜的第二面曲率为-11.951mm，二次曲线常数conic为25.933，二次项系数0，四次项系数7.876e-3，六次项系数0.076，八次项系数-0.098，十次项系数0.076，十二次项系数-0.033，十四次项系数7.689e-3，十六次项系数-7.371e-4。
同时，优化得到在中心波长525nm下的第一透镜符合偶数次多项式约束关系的第一相位面参数。根据第一相位面参数可以得到归一化半径rNorm和偶数次多项式系数Ai。其中，中心波长525nm下优化得到偶数多项式相位面的系数为：归一化半径74.559mm，2次项p2，4次项p4，6次项p6，8次项p8，10次项p10，12次项p12，14次项p14分别为：-6.261e6，1.339e9，3.186e12，-9.95e14，-1.618e18，-3.575e21,4.674e24。根据第一相位面参数、归一化半径rNorm和偶数次多项式系数Ai，可以计算出理想情况下，在中心波长525nm下的第一透镜的第一相位调制量φ。
步骤S204，分别在不同波长下，优化第一透镜的相位面形状。
根据第二透镜的非球面参数确定第二透镜的面型，在确定第二透镜的面型和第一透镜的相位面归一化半径的情况下，优化不同波长下的第一透镜的相位面形状，从而降低在不同波长下透镜组像差。图4为折超混合透镜组的MTF分布图，其中，图中每条线分别对应不同的视场角（deg）下，第一透镜子午线和弧矢线（TS）的MTF（Modulation TransferFunction，调制传递函数），MTF为评价透镜成像质量（分辨率）的指标。图5为优化后混合透镜组成像畸变的变化曲线，其中，横轴为成像的畸变百分比，纵轴为视场坐标。
在不同波长下，相位面的偶数多项式的部分参数会发生改变,使得相位面型有些许变化，得到更好的消像差效果。例如，在515m下，优化得到偶数多项式相位面的系数为：归一化半径74.559mm；2次项p2，4次项p4，6次项p6，8次项p8，10次项p10，12次项p12，14次项p14分别为：-6.383e6，1.445e9，1.832e12，2.648e15，8.925e18，1.495e22，-7.461e25。对于520nm,530nm,535nm波长下，同样可以得到对应的多项式系数，并计算得到第二相位调制量。
步骤S205，设计第一透镜超构表面的面型。
超构表面包括衬底5和纳米柱4，不同的单元结构构成不同的纳米柱阵列。首先，设计衬底5上纳米柱阵列中每个纳米柱4的排列位置。其中，纳米柱4为底面为正方形的长方体，每个纳米柱4均与衬底5保持垂直关系。建立XYZ坐标系，原点为O，其中OX和OY相互垂直且均平行于衬底5，OZ则垂直于衬底5。纳米柱4下端中心对应OXY平面内的坐标，其中横坐标为x，纵坐标为y，可以基于OXY平面内的坐标指示纳米柱4的排列位置。
示例性地，纳米柱4被限制在一圆形范围内，原点O位于该圆形范围的圆心处，在OX方向上，相邻纳米柱4的中心之间的预设间距为u，在OY方向上，相邻纳米柱4的中心之间的预设间距也为u。其中，u=0.42μm，用于指示纳米柱4的排列周期。相应的，纳米柱4的坐标（x，y）受到u取值的限制。图6为本实施例中单元结构的模型示意图，其中，衬底5材质选用二氧化硅，纳米柱4的材质选用硫系玻璃，还包括光刻胶和二氧化硅。衬底5和纳米柱4的材质还可以根据用户需求选用其他材料，在此不做限定。
步骤S206，获取纳米柱4的单元结构库，根据单元结构库得到纳米柱阵列。
分别在第一波长和第二波长下，基于预设间距u对所述第一目标透镜的超构表面进行采样，得到满足预设间距u需求的多个纳米柱4的单元结构，不同单元结构中纳米柱4的边长笔筒。由多个单元结构构成单元结构库，构建与单元结构库对应的纳米柱阵列。其中，可以基于FDTD光学仿真软件实现对超构表面的采样，也可以基于其他现有技术实现采样。
示例性的，监视器将采样波长设定为515nm、520nm、525nm、530nm和535nm。在上述五个采样波长下，根据间距u=0.42μm确定采样范围为0.01μm到0.41μm，分别在OX方向和OY方向上同时从0.01μm到0.41μm的采样范围内进行采样，得到101个采样点，共计获得101个结构单元。其中，每个结构单元对应于一种纳米柱4的几何参数可能值，几何参数可能值包括纳米柱4的边长的可能值构成的101个数组，这101个数据组构成了单元结构库。
同时，采样得到的101个单元结构在上述五个采样波长下都能够覆盖2π的相位延迟范围。因为单元结构的相位延迟与纳米柱4的高度相关，所以可以根据相位延迟范围得到单元结构库中纳米柱4的高度范围h，公式如下：
其中，材料折射率为n，背景材料折射率为nb，一般为空气的情况下，nb=1。由此可确定了h的取值范围。
图7是525nm波长下单元结构边长-相位分布图，其中，横坐标表示单元结构的边长，纵坐标表示相位调制量，图中每个点表示一种从单元结构库中获取的纳米柱阵列，纳米柱阵列对应的相位延迟范围涵盖了2π的范围，满足高度的要求，同时具备高透射率。图8为单元结构的边长-波长-相位分布图；图9为单元结构的边长-波长-透射率分布图。
步骤S207，根据第一透镜的相位面对纳米柱阵列进行筛选。
纳米柱阵列的具体筛选过程为：获取纳米柱阵列在第一波长下的真实相位调制量和第一相位调制量的第一差值，同理获取纳米柱阵列在多个第二波长下的第二差值，对第一差值和第二差值求和，得到第一求和值。同时还对纳米柱阵列在第一波长和第二波长下的透射率，与透射率阈值多个的差值进行求和，得到第二求和值；其中，透射率阈值设置为1。对第一求和值、第二求和值再次进行加权求和，以获得每个纳米柱阵列的评价值，选取较低评价值对应的纳米柱阵列。可选地，可以通过调节权重获得不同的评价值，从而便于后续获得合适的超透镜1结构。可选地，还可以利用粒子群的方法优化得到高透射率的纳米柱阵列，以实现优良的消像差效果。图10为第一透镜在多个波长下的平均透射率分布示意图，提供了515nm，520nm，525nm，530nm，535nm波长下的平均透射率。在各波长下第一透镜的平均透射率为0.667，实现了很高的透射效果。
相位调制量用于指示不同波长下的相位面理想的拟合目标。传统衍射透镜只能满足中心波长下的相位调制要求，以实现折衍透镜组的成像，然而在波长改变的情况下，传统衍射透镜的实际的相位调制量不再满足高质量成像所需的相位调制要求，从而导致成像时像差、畸变的存在，降低了成像质量。
步骤S207的筛选过程考虑了不同波长下相位延迟对成像的影响，筛选得到的纳米柱阵列在不同波长下的相位拟合情况与理想的相位延迟之间的差值最小。基于筛选得到的纳米柱阵列构成的透镜组，可以选用同一个非球面（第二透镜）时，在多个波长下均实现较好的消轴外像差，消畸变的大视场聚焦效果。同时该筛选过程透射率的影响，筛选得到的纳米柱阵列透射率较高。
步骤S208，依据筛选得到的目标纳米柱阵列选取第一目标透镜。
根据步骤S207筛选得到的目标纳米柱阵列，确定第一透镜中纳米柱4的边长，其中，目标纳米柱阵列中纳米柱4的边长可以在工作波长515nm-535nm内满足消除色差和各种像差的需要。根据步骤S306得到纳米柱4的高度。基于步骤S305设计的面型中各个纳米柱4的横坐标x和纵坐标y，改变其中纳米柱4的边长和高度，确定纳米柱4的具体结构以及在衬底5上的具体排布方式，得到第一目标透镜。
下表为基于本实施例的设计得到的第一透镜的实际参数：
| 系统总长TTL | 数值孔径NA | 高度h | 排列周期u | 材料（纳米柱-衬底） | 出瞳口径 | MTF>0.3 | 工作波长 |
| 7.44mm | 0.22 | 1.2μm | 0.42μm | 硫系玻璃 | 3.5mm | 125lp/mm | 515nm-535nm |
待衬底5上每个纳米柱4对应的边长、高都确定后，第一透镜的具体结构也即对应确定。本实施例最终获得的第一透镜部分结构的示意图如图11所示。
图12为第一透镜在不同波长下的相位拟合示意图，图12的（a）为515nm波长下的相位拟合示意图，图12的（b）为520nm波长下的相位拟合示意图，图12的（c）为525nm波长下的相位拟合示意图，图12的（d）为530nm波长下的相位拟合示意图，图12的（e）为535nm波长下的相位拟合示意图。图12的各相位拟合示意图中横坐标为第一透镜的径向位置，纵坐标为相位值，圆点表示筛选的纳米柱阵列中y=0，x不同的纳米柱4的真实相位调制量。其中，圆点构成的曲线与理想的相位调制量曲线贴合，即筛选得到的纳米柱4在不同工作波长下几乎都能实现较好的消像差效果。
图13为第一透镜在不同波长下的透射率分布示意图，图13的（a）为515nm波长下的透射率分布图，图13的（b）为520nm波长下的透射率分布图，图13的（c）为525nm波长下的透射率分布图，图13的（d）为530nm波长下的透射率分布图，图13的（e）为535nm波长下的透射率分布图。图13的各透射率分布示意图中，横坐标为第一透镜的径向位置，纵坐标为透射率。参见图13，本实施例筛选得到的纳米柱阵列，其在不同工作波长下都具备良好的透射率，保证了最终获得的第一透镜具备了良好的透射效果。
图14为不同波长下混合透镜组光轴上及光轴外MTF示意图，其中，横坐标表示波长，纵坐标表示MTF>0.3的最低空间频率数值，这个数值越高说明此时的消轴外像差效果越好，在15nm的宽度下，混合透镜组在高MTF的空间频率下均保持了较高的数值，说明本实施例生成混合透镜组在设计工作波段中的消像差效果很好。
基于本实施例中的混合透镜组生成方法得到的透镜组，相比传统折衍混合透镜组，具备更高的成像质量。图15为混合透镜组分辨率和传统透镜组分辨率的对比图。其中，图15的（a）为传统透镜组在排列周期u等于0.3nm时的分辨率；图15的（b）为混合透镜组在排列周期u等于0.42nm时的分辨率。如图15所示，在中心波长525nm下，对于同一空间频率，混合透镜组MTF数值超过了传统透镜组的MTF数值，表现出更高的分辨率。图16为第一相位拟合周期下混合透镜组分辨率的示意图，其中，图16的（a）提供了波长525nm下混合透镜组分辨率，图16的（b）提供了波长510nm下混合透镜组分辨率，图16的（c）提供了波长540nm下混合透镜组分辨率，TS为子午线和弧矢线，deg为视场角的单位，度。图17为第一相位拟合周期下传统透镜组分辨率的示意图，图17的（a）提供了波长525nm下传统透镜组分辨率，图17的（b）提供了波长510nm时传统透镜组分辨率，图17的（c）提供了波长540nm下传统透镜组分辨率。对比图16和图17，在同一相位拟合周期下，基于Metasurface的不同相位拟合的消色差优化的MTF在各个波长下都保持了一定数值，维持了其消色差的成像效果。而无法进行消色差优化的普通衍射元件的折衍混合的分辨率在非设计波长处基本为0，表现出了折超混合透镜组在消色差能力上的优势。
应该理解的是，虽然如上所述的各实施例所涉及的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，如上所述的各实施例所涉及的流程图中的至少一部分步骤可以包括多个步骤或者多个阶段，这些步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤中的步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。例如，可以先执行步骤S207，根据第一透镜的相位面对纳米柱阵列进行筛选，再实现步骤S206中纳米柱4高度范围的获取。
基于同样的发明构思，本申请实施例还提供了一种用于实现上述所涉及的透镜组生成方法的透镜组生成装置。该装置所提供的解决问题的实现方案与上述方法中所记载的实现方案相似，故下面所提供的一个或多个透镜组生成装置实施例中的具体限定可以参见上文中对于透镜组生成方法的限定，在此不再赘述。
在一个实施例中，如图18所示，提供了一种透镜组生成装置，包括：
第一参数获取模块，用于确定在第一波长下，成像质量满足预设条件时的透镜组的参数；其中，透镜组的参数包括第一透镜的第一相位调制量和第二透镜的目标面型，第一透镜包含超构表面；
第二参数获取模块，用于确定在第二波长下，以及在第二透镜取用目标面型的基础上，成像质量满足预设条件时的第一透镜的第二相位调制量；
构建模块，用于获取符合第一相位调制量和第二相位调制量的第一目标透镜，以及符合目标面型的第二目标透镜，基于第一目标透镜和第二目标透镜构建透镜组。
上述透镜组生成装置中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于计算机设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。
基于同样的发明构思，本申请实施例还提供了一种透镜组，透镜组包括依次排列且位于同一光路上的第一目标透镜、第二目标透镜和成像元件，第一目标透镜包含超构表面；其中，第一目标透镜和第二目标透镜基于上述透镜组生成方法实施例生成。
在一个实施例中，提供了一种计算机设备，该计算机设备可以是终端，其内部结构图可以如图19所示。该计算机设备包括处理器、存储器、输入/输出接口、通信接口、显示单元和输入装置。其中，处理器、存储器和输入/输出接口通过系统总线连接，通信接口和输入装置通过输入/输出接口连接到系统总线。其中，该计算机设备的处理器用于提供计算和控制能力。该计算机设备的存储器包括非易失性存储介质和内存储器。该非易失性存储介质存储有操作系统和计算机程序。该内存储器为非易失性存储介质中的操作系统和计算机程序的运行提供环境。该计算机设备的输入/输出接口用于处理器与外部设备之间交换信息。该计算机设备的通信接口用于与外部的终端进行有线或无线方式的通信，无线方式可通过WIFI、移动蜂窝网络、NFC（近场通信）或其他技术实现。该计算机程序被处理器执行时以实现一种透镜组生成方法。
本领域技术人员可以理解，图19中示出的结构，仅仅是与本申请方案相关的部分结构的框图，并不构成对本申请方案所应用于其上的计算机设备的限定，具体的计算机设备可以包括比图中所示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者具有不同的部件布置。
在一个实施例中，还提供了一种计算机设备，包括存储器和处理器，存储器中存储有计算机程序，该处理器执行计算机程序时实现上述各方法实施例中的步骤。
在一个实施例中，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述各方法实施例中的步骤。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本申请所提供的各实施例中所使用的对存储器、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和易失性存储器中的至少一种。非易失性存储器可包括只读存储器（Read-OnlyMemory，ROM）、磁带、软盘、闪存、光存储器、高密度嵌入式非易失性存储器、阻变存储器（ReRAM）、磁变存储器（Magnetoresistive Random Access Memory，MRAM）、铁电存储器（Ferroelectric Random Access Memory，FRAM）、相变存储器（Phase Change Memory，PCM）、石墨烯存储器等。易失性存储器可包括随机存取存储器（Random Access Memory，RAM）或外部高速缓冲存储器等。作为说明而非局限，RAM可以是多种形式，比如静态随机存取存储器（Static Random AccessMemory，SRAM）或动态随机存取存储器（Dynamic RandomAccess Memory，DRAM）等。本申请所提供的各实施例中所涉及的数据库可包括关系型数据库和非关系型数据库中至少一种。非关系型数据库可包括基于区块链的分布式数据库等，不限于此。本申请所提供的各实施例中所涉及的处理器可为通用处理器、中央处理器、图形处理器、数字信号处理器、可编程逻辑器、基于量子计算的数据处理逻辑器等，不限于此。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (7)
1.一种透镜组生成方法，其特征在于，所述方法包括：
确定在第一波长下，成像质量满足预设条件时的透镜组的参数；其中，所述透镜组的参数包括第一透镜的第一相位调制量和第二透镜的目标面型，所述第一透镜包含超构表面；
确定在第二波长下，以及在所述第二透镜取用所述目标面型的基础上，成像质量满足所述预设条件时的所述第一透镜的第二相位调制量；
获取与所述第一相位调制量和所述第二相位调制量相匹配的第一目标透镜，以及符合所述目标面型的第二目标透镜，基于所述第一目标透镜和所述第二目标透镜构建所述透镜组；
其中，所述第一目标透镜包括衬底和纳米柱，所述纳米柱与所述衬底连接，获取与所述第一相位调制量和所述第二相位调制量相匹配的第一目标透镜，包括：获取多个由所述纳米柱构成纳米柱阵列，各所述纳米柱阵列中的纳米柱的几何参数不同；分别在所述第一波长和所述第二波长下，获取所述纳米柱阵列的真实相位调制量；根据所述第一波长下的真实相位调制量与所述第一相位调制量之间的第一差值，以及所述第二波长下的真实相位调制量与所述第二相位调制量之间的第二差值，在多个所述纳米柱阵列中选取目标纳米柱阵列；根据所述目标纳米柱阵列得到所述第一目标透镜；根据所述第一差值和所述第二差值选取所述目标纳米柱阵列包括：计算所述第一差值和所述第二差值的差值和，将所述差值和最小的纳米柱阵列选取为所述目标纳米柱阵列；
其中，确定所述第一相位调制量和所述第二相位调制量包括：当所述成像质量满足所述预设条件时，并且所述第一透镜的相位面符合偶数次多项式函数的约束关系时，得到第一相位面参数；根据所述第一相位面参数得到所述第一相位调制量；当所述成像质量满足所述预设条件时，并且所述第一透镜的相位面符合所述偶数次多项式函数的约束关系时，得到第二相位面参数；根据所述第二相位面参数得到所述二相位调制量。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，获取多个由所述纳米柱构成纳米柱阵列，包括：
分别在所述第一波长和所述第二波长下，基于预设间距对所述第一目标透镜的超构表面进行采样，得到纳米柱的边长范围；
分别获取所述第一波长和所述第二波长下的纳米柱的相位延迟范围，当所述相位延迟范围大于预设范围时，得到所述纳米柱的高度范围；
基于符合所述边长范围和所述高度范围的纳米柱，得到多个所述纳米柱阵列。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，判断所述透镜组的成像质量是否满足所述预设条件，包括：
调整所述透镜组的参数时，在预设视场角范围内模拟所述透镜组的成像；
根据模拟成像的畸变程度判断所述透镜组的成像质量是否满足预设条件。
4.一种透镜组，其特征在于，所述透镜组包括依次排列且位于同一光路上的第一目标透镜、第二目标透镜，所述第一目标透镜包含超构表面；其中，
所述第一目标透镜和所述第二目标透镜基于权利要求1至权利要求3中任一项所述的方法生成。
5.一种透镜组生成装置，其特征在于，所述装置包括：
第一参数获取模块，用于确定在第一波长下，成像质量满足预设条件时的透镜组的参数；其中，所述透镜组的参数包括第一透镜的第一相位调制量和第二透镜的目标面型，所述第一透镜包含超构表面；
第二参数获取模块，用于确定在第二波长下，以及在所述第二透镜取用所述目标面型的基础上，成像质量满足所述预设条件时的所述第一透镜的第二相位调制量；
构建模块，用于获取符合所述第一相位调制量和所述第二相位调制量的第一目标透镜，以及符合所述目标面型的第二目标透镜，基于所述第一目标透镜和所述第二目标透镜构建所述透镜组；
其中，所述第一目标透镜包括衬底和纳米柱，所述纳米柱与所述衬底连接，获取与所述第一相位调制量和所述第二相位调制量相匹配的第一目标透镜，包括：获取多个由所述纳米柱构成纳米柱阵列，各所述纳米柱阵列中的纳米柱的几何参数不同；分别在所述第一波长和所述第二波长下，获取所述纳米柱阵列的真实相位调制量；根据所述第一波长下的真实相位调制量与所述第一相位调制量之间的第一差值，以及所述第二波长下的真实相位调制量与所述第二相位调制量之间的第二差值，在多个所述纳米柱阵列中选取目标纳米柱阵列；根据所述目标纳米柱阵列得到所述第一目标透镜；根据所述第一差值和所述第二差值选取所述目标纳米柱阵列包括：计算所述第一差值和所述第二差值的差值和，将所述差值和最小的纳米柱阵列选取为所述目标纳米柱阵列；
其中，确定所述第一相位调制量和所述第二相位调制量包括：当所述成像质量满足所述预设条件时，并且所述第一透镜的相位面符合偶数次多项式函数的约束关系时，得到第一相位面参数；根据所述第一相位面参数得到所述第一相位调制量；当所述成像质量满足所述预设条件时，并且所述第一透镜的相位面符合所述偶数次多项式函数的约束关系时，得到第二相位面参数；根据所述第二相位面参数得到所述二相位调制量。
6.一种计算机设备，包括存储器和处理器，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计算机程序时实现权利要求1至权利要求3中任一项所述的方法。
7.一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权利要求1至权利要求3中任一项所述的方法的步骤。
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