CN117970638A - 一种超构表面件设计方法及相关设备、光学系统优化方法 - Google Patents

Abstract

本申请属于光学元件技术领域，公开了一种超构表面件设计方法及相关设备、光学系统优化方法，所述设计方法包括：获取各光学元件的传输函数、光源的发射面的光场分布数据以及光学传感器的接收面的光场分布数据；根据各光学元件的传输函数和光源的发射面的光场分布数据，计算目标模块的前波面光场分布数据；根据各光学元件的传输函数和光学传感器的接收面的光场分布数据，计算目标模块的后波面光场分布数据；根据目标模块的前波面光场分布数据和目标模块的后波面光场分布数据计算超构表面相位分布数据；根据超构表面相位分布数据设计超构表面件；从而使设计得到的超构表面件能够实现被替换光学元件组合所共同实现的功能，有利于简化光学系统的结构。

Description

一种超构表面件设计方法及相关设备、光学系统优化方法

技术领域

本申请涉及光学元件技术领域，具体而言，涉及一种超构表面件设计方法及相关设备、光学系统优化方法。

背景技术

现有的一些光学系统中，在光源的发射面和光学传感器的接收面之间设置一系列光学元件（如透镜、反射镜等）来实现对光束特性的调控，结构复杂且体积庞大。

超构表面是一种由特殊的微纳结构排列组成的表面，利用这些结构能够实现相位调控，调制光的传播和特性，超构表面件（也称为超构透镜）是具有超构表面的光学元件，因此，利用单个超构表面件可以实现多个传统的光学元件共同实现的功能，以实现对光束特性的调控，从而利用单个超构表面件可以替代多个传统的光学元件，进而简化光学系统的结构。为此，如何对超构表面件的超构表面进行设计才能使得到的超构表面件能够实现被替换光学元件组合所共同实现的功能，是有待解决的问题。

发明内容

本申请的目的在于提供一种超构表面件设计方法及相关设备、光学系统优化方法，使设计得到的超构表面件能够实现被替换光学元件组合所共同实现的功能，从而有利于简化光学系统的结构。

第一方面，本申请提供了一种超构表面件设计方法，用于设计用以替代光学系统中的目标模块的超构表面件，所述光学系统包括光源、光学传感器和至少一个设置在所述光源和所述光学传感器之间的光学元件，其中连续的至少一个光学元件组成所述目标模块，所述目标模块前侧的所有器件组成前向模块，所述目标模块后侧的所有器件组成后向模块；

所述超构表面件设计方法包括步骤：

A1.获取各所述光学元件的传输函数、所述光源的发射面的光场分布数据以及所述光学传感器的接收面的光场分布数据；

A2.根据各所述光学元件的传输函数和所述光源的发射面的光场分布数据，计算所述目标模块的前波面光场分布数据；

A3.根据各所述光学元件的传输函数和所述光学传感器的接收面的光场分布数据，计算所述目标模块的后波面光场分布数据；

A4.根据所述目标模块的前波面光场分布数据和所述目标模块的后波面光场分布数据计算超构表面相位分布数据；

A5.根据所述超构表面相位分布数据设计超构表面件。

只需要获取各光学元件的传输函数、光源的发射面的光场分布数据以及光学传感器的接收面的光场分布数据，即可通过简单计算得到超构表面件的超构表面相位分布数据，进而根据该超构表面相位分布数据设计得到超构表面件，使设计得到的超构表面件能够实现目标模块的功能，用该超构表面件替换目标模块后，可以在保持光学系统的性能不变的情况下简化光学系统的结构。

优选地，步骤A1中，根据元件特性和衍射计算原理计算所述光学元件的传输函数，或者通过仿真计算得到所述光学元件的传输函数。

优选地，步骤A2包括：

若所述前向模块仅包括所述光源，则根据以下公式计算所述目标模块的前波面光场分布数据：

；

其中，x、y分别为横坐标和纵坐标，为所述目标模块的前波面光场分布数据，/>为所述光源的发射面的光场分布数据，/>为傅里叶变换函数，e为自然对数的底数，/>为虚数符号，/>为所述光源的发射光的波长，/>为所述光源的发射面到第一个所述光学元件的前波面的距离；

若所述前向模块包含所述光学元件，则根据以下公式计算所述目标模块的前波面光场分布数据：

；

；

其中，m为序号，为第m个所述光学元件的前波面光场分布数据，为第m-1个所述光学元件的前波面光场分布数据，/>为第m-1个所述光学元件的传输函数，j为所述目标模块中的首个光学元件的序号，/>为第j个所述光学元件的前波面光场分布数据，/>为第m-1个所述光学元件的后波面到第m个所述光学元件的前波面的距离。

从而，通过简单计算可以得到目标模块的前波面光场分布数据。

优选地，步骤A3包括：

若所述后向模块仅包括所述光学传感器，则根据以下公式计算所述目标模块的后波面光场分布数据：

；

其中，x、y分别为横坐标和纵坐标，为所述光学传感器的接收面的光场分布数据，/>为傅里叶变换函数，/>为所述目标模块的后波面光场分布数据，e为自然对数的底数，/>为虚数符号，/>为所述光源的发射光的波长，N为光学元件的总数量，为所述光学传感器的接收面到第N个所述光学元件的后波面的距离；

若所述后向模块包含所述光学元件，则根据以下公式计算所述目标模块的后波面光场分布数据：

;

;

其中，n为序号，为第n个所述光学元件的后波面光场分布数据，为第n+1个所述光学元件的后波面光场分布数据，/>为第n+1个所述光学元件的传输函数，k为所述目标模块中的最后一个光学元件的序号，/>为第k个所述光学元件的后波面光场分布数据，/>为第n+1个所述光学元件的前波面到第n个所述光学元件的后波面的距离。

从而，通过简单计算可以得到目标模块的后波面光场分布数据。

优选地，步骤A4中，根据以下公式计算超构表面相位分布数据：

；

其中，x、y分别为横坐标和纵坐标，为所述超构表面相位分布数据，为所述目标模块的后波面光场分布数据，/>为所述目标模块的前波面光场分布数据，/>为相位提取函数。

从而，通过简单计算可以得到超构表面相位分布数据。

第二方面，本申请提供了一种超构表面件设计装置，用于设计用以替代光学系统中的目标模块的超构表面件，所述光学系统包括光源、光学传感器和至少一个设置在所述光源和所述光学传感器之间的光学元件，其中连续的至少一个光学元件组成所述目标模块，所述目标模块前侧的所有器件组成前向模块，所述目标模块后侧的所有器件组成后向模块；

所述超构表面件设计装置包括：

获取模块，用于获取各所述光学元件的传输函数、所述光源的发射面的光场分布数据以及所述光学传感器的接收面的光场分布数据；

第一计算模块，用于根据各所述光学元件的传输函数和所述光源的发射面的光场分布数据，计算所述目标模块的前波面光场分布数据；

第二计算模块，用于根据各所述光学元件的传输函数和所述光学传感器的接收面的光场分布数据，计算所述目标模块的后波面光场分布数据；

第三计算模块，用于根据所述目标模块的前波面光场分布数据和所述目标模块的后波面光场分布数据计算超构表面相位分布数据；

设计模块，用于根据所述超构表面相位分布数据设计超构表面件。

第三方面，本申请提供了一种电子设备，包括处理器和存储器，所述存储器存储有所述处理器可执行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时，运行如前文所述的超构表面件设计方法中的步骤。

第四方面，本申请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运行如前文所述的超构表面件设计方法中的步骤。

第五方面，本申请提供了一种光学系统优化方法，包括：基于前文所述的超构表面件设计方法得到超构表面件，并用所述超构表面件替换原光学系统中的目标模块。

优选地，所述用所述超构表面件替换原光学系统中的目标模块的步骤包括：

若前向模块包含光学元件，则使替换后的超构表面件的超构表面与前向模块中最后一个光学元件的后波面的距离等于原光学系统中的前向模块中最后一个光学元件的后波面与目标模块的首个光学元件的前波面的距离；

若前向模块仅包括光源，则使替换后的超构表面件的超构表面与光源的发射面的距离等于原光学系统中的第一个光学元件的前波面与光源的发射面的距离；

若后向模块包含光学元件，则使替换后的超构表面件的超构表面与后向模块中首个光学元件的前波面的距离等于原光学系统中的后向模块中首个光学元件的前波面与目标模块的最后一个光学元件的后波面的距离；

若后向模块仅包括光学传感器，则使替换后的超构表面件的超构表面与光学传感器的接收面的距离等于原光学系统中的最后一个光学元件的后波面到光学传感器的接收面的距离。

有益效果：本申请提供的超构表面件设计方法及相关设备、光学系统优化方法，只需要获取各光学元件的传输函数、光源的发射面的光场分布数据以及光学传感器的接收面的光场分布数据，即可通过简单计算得到超构表面件的超构表面相位分布数据，进而根据该超构表面相位分布数据设计得到超构表面件，使设计得到的超构表面件能够实现目标模块的功能，用该超构表面件替换目标模块后，可以在保持光学系统的性能不变的情况下简化光学系统的结构。

附图说明

图1为本申请实施例提供的超构表面件设计方法的流程图。

图2为本申请实施例提供的超构表面件设计装置的结构示意图。

图3为本申请实施例提供的电子设备的结构示意图。

图4为原光学系统的结构示意图。

图5为优化后的光学系统的结构示意图。

标号说明：1、获取模块；2、第一计算模块；3、第二计算模块；4、第三计算模块；5、设计模块；301、处理器；302、存储器；303、通信总线。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

请参照图1，图1是本申请一些实施例中的一种超构表面件设计方法，用于设计用以替代光学系统中的目标模块的超构表面件，光学系统包括光源、光学传感器和至少一个设置在光源和光学传感器之间的光学元件，其中连续的至少一个光学元件组成目标模块（即其中一个光学元件组成目标模块或其中连续的多个光学元件组成目标模块），目标模块前侧的所有器件组成前向模块，目标模块后侧的所有器件组成后向模块；

该超构表面件设计方法包括步骤：

A1.获取各光学元件的传输函数、光源的发射面的光场分布数据以及光学传感器的接收面的光场分布数据；

A2.根据各光学元件的传输函数和光源的发射面的光场分布数据，计算目标模块的前波面光场分布数据；

A3.根据各光学元件的传输函数和光学传感器的接收面的光场分布数据，计算目标模块的后波面光场分布数据；

A4.根据目标模块的前波面光场分布数据和目标模块的后波面光场分布数据计算超构表面相位分布数据；

A5.根据超构表面相位分布数据设计超构表面件。

只需要获取各光学元件的传输函数、光源的发射面的光场分布数据以及光学传感器的接收面的光场分布数据，即可通过简单计算得到超构表面件的超构表面相位分布数据，进而根据该超构表面相位分布数据设计得到超构表面件，使设计得到的超构表面件能够实现目标模块的功能，用该超构表面件替换目标模块后，可以在保持光学系统的性能不变的情况下简化光学系统的结构。

其中，光学系统中的光学元件一般为多个，但也可以是一个；目标模块是由连续（指排序连续）的待替换的光学元件组成的模块，当光学元件只有一个时，则该光学元件就是目标模块，当光学元件有多个时，目标模块可以包括一个或多个光学元件（该多个光学元件的排序连续）。

如图4所示，优化前的光学系统（即原光学系统）包括光源、光学传感器和设置在光源和光学传感器之间的N个光学元件（即图中的元件1，元件2，…，元件N），各光学元件的序号从靠近光源的一侧向靠近光学传感器的一侧依次增加，从而，前侧是指靠近光源的一侧，后侧是指靠近光学传感器的一侧，图中的z轴与光学系统的光轴重合，y轴朝上，x轴的方向通过右手定则确定，其中，光源和前j-1个光学元件组成前向模块，第j个光学元件至第k个光学元件组成目标模块（即j为目标模块中的首个光学元件的序号，k为目标模块中的最后一个光学元件的序号），第k+1个光学元件至第N个光学元件和光学传感器组成后向模块。

其中，光学元件包括但不限于透镜、反射镜等利用厚度和/或表面改变光束特性以控制光束传输的器件中的至少一种。

其中，可以把一个个光学元件作为目标模块，也可以把任意连续的多个光学元件的组合作为目标模块。例如图4中， j可以等于1，k可以等于N，当j=1时，光源为前向模块，当k=N时，光学传感器为后向模块，当j=1且k=N时，目标模块由所有光学元件组成。一般地k大于j，但也可以等于j，当k等于j时，表示目标模块仅包括一个光学元件（一般地，当一个光学元件的结构复杂、占用空间大和/或价格较高时，可以用超构表面件进行替换）。

其中，本申请中的光场分布数据是指光强的分布数据。步骤A1中，光源的发射面的光场分布数据是该发射面上的光强的分布数据，光学传感器的接收面的光场分布数据是该接收面上的光强的分布数据。光源的发射面的光场分布数据和光学传感器的接收面的光场分布数据可以事先测定得到。

其中，步骤A1中，可以根据元件特性和衍射计算原理计算光学元件的传输函数，或者通过仿真计算得到光学元件的传输函数。一般地，对于结构简单的光学元件，可以根据该光学元件的元件特性和衍射计算原理计算其传输函数（具体计算方法为现有技术，此处不对其进行详述），对于结构复杂的光学元件，可以通过仿真计算得到其传输函数（例如通过有限元法或有限差分时间域方法来进行仿真计算）。

具体地，步骤A2包括：

若前向模块仅包括光源（即j=1），则根据以下公式计算目标模块的前波面光场分布数据：

；

其中，x、y分别为横坐标和纵坐标（如图4所示，右手坐标系xyz的z轴与光学系统的光轴重合，且正z轴方向从前向后，x轴和y轴均垂直于z轴，且x轴和y轴相互垂直，横坐标即x轴坐标，纵坐标即y轴坐标），为目标模块的前波面光场分布数据，/>为光源的发射面的光场分布数据，/>为傅里叶变换函数，e为自然对数的底数，/>为虚数符号，/>为光源的发射光的波长，/>为光源的发射面到第一个光学元件的前波面的距离（为已知值）；

若前向模块包含光学元件（即j≥2），则根据以下公式计算目标模块的前波面光场分布数据：

；

；

其中，m为序号，为第m个光学元件的前波面光场分布数据，/>为第m-1个光学元件的前波面光场分布数据，/>为第m-1个光学元件的传输函数，j为目标模块中的首个光学元件的序号，/>为第j个光学元件的前波面光场分布数据，/>为第m-1个光学元件的后波面到第m个光学元件的前波面的距离（均为已知值）；具体地，根据上面的公式，按m=1至m=j的顺序（即m的升序顺序），依次计算/>，直到计算得到/>，把该/>作为目标模块的前波面光场分布数据。

从而，通过简单计算可以得到目标模块的前波面光场分布数据。

具体地，步骤A3包括：

若后向模块仅包括光学传感器（即k=N），则根据以下公式计算目标模块的后波面光场分布数据：

；

其中，为光学传感器的接收面的光场分布数据，/>为傅里叶变换函数，/>为目标模块的后波面光场分布数据，/>为光学传感器的接收面到第N个光学元件的后波面的距离（为已知值）；

若后向模块包含光学元件（即k≤N-1），则根据以下公式计算目标模块的后波面光场分布数据：

;

;

其中，n为序号，为第n个光学元件的后波面光场分布数据，/>为第n+1个光学元件的后波面光场分布数据，/>为第n+1个光学元件的传输函数，k为目标模块中的最后一个光学元件的序号，/>为第k个光学元件的后波面光场分布数据，/>为第n+1个光学元件的前波面到第n个光学元件的后波面的距离（均为已知值）；具体地，根据上面的公式，按n=N至n=k的顺序（即n的降序顺序），依次计算/>，直到计算得到/>，把该/>作为目标模块的后波面光场分布数据。

从而，通过简单计算可以得到目标模块的后波面光场分布数据。

具体地，步骤A4中，根据以下公式计算超构表面相位分布数据：

；

其中，为超构表面相位分布数据，/>为相位提取函数。

从而，通过简单计算可以得到超构表面相位分布数据。

其中，步骤A5中，根据超构表面相位分布数据设计超构表面件具体是根据超构表面相位分布数据对超构表面件的超构表面上的微纳结构进行设计，具体设计方法为现有技术，此处不对其进行详述。

由上可知，该超构表面件设计方法，获取各光学元件的传输函数、光源的发射面的光场分布数据以及光学传感器的接收面的光场分布数据；根据各光学元件的传输函数和光源的发射面的光场分布数据，计算目标模块的前波面光场分布数据；根据各光学元件的传输函数和光学传感器的接收面的光场分布数据，计算目标模块的后波面光场分布数据；根据目标模块的前波面光场分布数据和目标模块的后波面光场分布数据计算超构表面相位分布数据；根据超构表面相位分布数据设计超构表面件；从而使设计得到的超构表面件能够实现被替换光学元件组合所共同实现的功能，有利于简化光学系统的结构。

参考图2，本申请提供了一种超构表面件设计装置，用于设计用以替代光学系统中的目标模块的超构表面件，光学系统包括光源、光学传感器和至少一个设置在光源和光学传感器之间的光学元件，其中连续的至少一个光学元件组成目标模块，目标模块前侧的所有器件组成前向模块，目标模块后侧的所有器件组成后向模块；

该超构表面件设计装置包括：

获取模块1，用于获取各光学元件的传输函数、光源的发射面的光场分布数据以及光学传感器的接收面的光场分布数据（具体参考前文的步骤A1）；

第一计算模块2，用于根据各光学元件的传输函数和光源的发射面的光场分布数据，计算目标模块的前波面光场分布数据（具体参考前文的步骤A2）；

第二计算模块3，用于根据各光学元件的传输函数和光学传感器的接收面的光场分布数据，计算目标模块的后波面光场分布数据（具体参考前文的步骤A3）；

第三计算模块4，用于根据目标模块的前波面光场分布数据和目标模块的后波面光场分布数据计算超构表面相位分布数据（具体参考前文的步骤A4）；

设计模块5，用于根据超构表面相位分布数据设计超构表面件（具体参考前文的步骤A5）。

请参照图3，图3为本申请实施例提供的一种电子设备的结构示意图，本申请提供一种电子设备，包括：处理器301和存储器302，处理器301和存储器302通过通信总线303和/或其他形式的连接机构（未标出）互连并相互通讯，存储器302存储有处理器301可执行的计算机程序，当电子设备运行时，处理器301执行该计算机程序，以执行上述实施例的任一可选的实现方式中的超构表面件设计方法，以实现以下功能：获取各光学元件的传输函数、光源的发射面的光场分布数据以及光学传感器的接收面的光场分布数据；根据各光学元件的传输函数和光源的发射面的光场分布数据，计算目标模块的前波面光场分布数据；根据各光学元件的传输函数和光学传感器的接收面的光场分布数据，计算目标模块的后波面光场分布数据；根据目标模块的前波面光场分布数据和目标模块的后波面光场分布数据计算超构表面相位分布数据；根据超构表面相位分布数据设计超构表面件。

本申请实施例提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时，执行上述实施例的任一可选的实现方式中的超构表面件设计方法，以实现以下功能：获取各光学元件的传输函数、光源的发射面的光场分布数据以及光学传感器的接收面的光场分布数据；根据各光学元件的传输函数和光源的发射面的光场分布数据，计算目标模块的前波面光场分布数据；根据各光学元件的传输函数和光学传感器的接收面的光场分布数据，计算目标模块的后波面光场分布数据；根据目标模块的前波面光场分布数据和目标模块的后波面光场分布数据计算超构表面相位分布数据；根据超构表面相位分布数据设计超构表面件。其中，计算机可读存储介质可以由任何类型的易失性或非易失性存储设备或者它们的组合实现，如静态随机存取存储器（Static Random AccessMemory, 简称SRAM），电可擦除可编程只读存储器（Electrically Erasable ProgrammableRead-Only Memory, 简称EEPROM），可擦除可编程只读存储器（Erasable ProgrammableRead Only Memory, 简称EPROM），可编程只读存储器（Programmable Red-Only Memory,简称PROM），只读存储器（Read-Only Memory, 简称ROM），磁存储器，快闪存储器，磁盘或光盘。

本申请还提供了一种光学系统优化方法，包括：基于前文的超构表面件设计方法得到超构表面件，并用超构表面件替换原光学系统中的目标模块。

例如图4为原光学系统，图5为优化后的光学系统，通过用一个超构表面件替代原来的第j-第k个光学元件，在保持光学系统的性能不变的情况下，简化了光学系统的结构。

优选地，用超构表面件替换原光学系统中的目标模块的步骤包括：

若前向模块包含光学元件（即j≥2），则使替换后的超构表面件的超构表面与前向模块中最后一个光学元件的后波面的距离等于原光学系统中的前向模块中最后一个光学元件的后波面与目标模块的首个光学元件的前波面的距离；

若前向模块仅包括光源（即j=1），则使替换后的超构表面件的超构表面与光源的发射面的距离等于原光学系统中的第一个光学元件的前波面与光源的发射面的距离；

若后向模块包含光学元件（即k≤N-1），则使替换后的超构表面件的超构表面与后向模块中首个光学元件的前波面的距离等于原光学系统中的后向模块中首个光学元件的前波面与目标模块的最后一个光学元件的后波面的距离；

若后向模块仅包括光学传感器（即k=N），则使替换后的超构表面件的超构表面与光学传感器的接收面的距离等于原光学系统中的最后一个光学元件的后波面到光学传感器的接收面的距离。

从而保证替换后的光学系统与原光学系统的性能保持不变。

在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所揭露装置和方法，可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，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，又例如，多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，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通信接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

另外，作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，既可以位于一个地方，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者全部单元来实现本实施例方案的目的。

再者，在本申请各个实施例中的各功能模块可以集成在一起形成一个独立的部分，也可以是各个模块单独存在，也可以两个或两个以上模块集成形成一个独立的部分。

在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请的保护范围，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种超构表面件设计方法，其特征在于，用于设计用以替代光学系统中的目标模块的超构表面件，所述光学系统包括光源、光学传感器和至少一个设置在所述光源和所述光学传感器之间的光学元件，其中连续的至少一个光学元件组成所述目标模块，所述目标模块前侧的所有器件组成前向模块，所述目标模块后侧的所有器件组成后向模块；

所述超构表面件设计方法包括步骤：

A1.获取各所述光学元件的传输函数、所述光源的发射面的光场分布数据以及所述光学传感器的接收面的光场分布数据；

A2.根据各所述光学元件的传输函数和所述光源的发射面的光场分布数据，计算所述目标模块的前波面光场分布数据；

A3.根据各所述光学元件的传输函数和所述光学传感器的接收面的光场分布数据，计算所述目标模块的后波面光场分布数据；

A4.根据所述目标模块的前波面光场分布数据和所述目标模块的后波面光场分布数据计算超构表面相位分布数据；

A5.根据所述超构表面相位分布数据设计超构表面件。

2.根据权利要求1所述的超构表面件设计方法，其特征在于，步骤A1中，根据元件特性和衍射计算原理计算所述光学元件的传输函数，或者通过仿真计算得到所述光学元件的传输函数。

3.根据权利要求1所述的超构表面件设计方法，其特征在于，步骤A2包括：

若所述前向模块仅包括所述光源，则根据以下公式计算所述目标模块的前波面光场分布数据：

；

其中，x、y分别为横坐标和纵坐标，为所述目标模块的前波面光场分布数据，为所述光源的发射面的光场分布数据，/>为傅里叶变换函数，e为自然对数的底数，/>为虚数符号，/>为所述光源的发射光的波长，/>为所述光源的发射面到第一个所述光学元件的前波面的距离；

若所述前向模块包含所述光学元件，则根据以下公式计算所述目标模块的前波面光场分布数据：

；

；

其中，m为序号，为第m个所述光学元件的前波面光场分布数据，/>为第m-1个所述光学元件的前波面光场分布数据，/>为第m-1个所述光学元件的传输函数，j为所述目标模块中的首个光学元件的序号，/>为第j个所述光学元件的前波面光场分布数据，/>为第m-1个所述光学元件的后波面到第m个所述光学元件的前波面的距离。

4.根据权利要求1所述的超构表面件设计方法，其特征在于，步骤A3包括：

若所述后向模块仅包括所述光学传感器，则根据以下公式计算所述目标模块的后波面光场分布数据：

；

其中，x、y分别为横坐标和纵坐标，为所述光学传感器的接收面的光场分布数据，/>为傅里叶变换函数，/>为所述目标模块的后波面光场分布数据，e为自然对数的底数，/>为虚数符号，/>为所述光源的发射光的波长，N为光学元件的总数量，为所述光学传感器的接收面到第N个所述光学元件的后波面的距离；

若所述后向模块包含所述光学元件，则根据以下公式计算所述目标模块的后波面光场分布数据：

;

;

其中，n为序号，为第n个所述光学元件的后波面光场分布数据，/>为第n+1个所述光学元件的后波面光场分布数据，/>为第n+1个所述光学元件的传输函数，k为所述目标模块中的最后一个光学元件的序号，/>为第k个所述光学元件的后波面光场分布数据，/>为第n+1个所述光学元件的前波面到第n个所述光学元件的后波面的距离。

5.根据权利要求1所述的超构表面件设计方法，其特征在于，步骤A4中，根据以下公式计算超构表面相位分布数据：

；

其中，x、y分别为横坐标和纵坐标，为所述超构表面相位分布数据，/>为所述目标模块的后波面光场分布数据，/>为所述目标模块的前波面光场分布数据，/>为相位提取函数。

6.一种超构表面件设计装置，其特征在于，用于设计用以替代光学系统中的目标模块的超构表面件，所述光学系统包括光源、光学传感器和至少一个设置在所述光源和所述光学传感器之间的光学元件，其中连续的至少一个光学元件组成所述目标模块，所述目标模块前侧的所有器件组成前向模块，所述目标模块后侧的所有器件组成后向模块；

所述超构表面件设计装置包括：

获取模块，用于获取各所述光学元件的传输函数、所述光源的发射面的光场分布数据以及所述光学传感器的接收面的光场分布数据；

第一计算模块，用于根据各所述光学元件的传输函数和所述光源的发射面的光场分布数据，计算所述目标模块的前波面光场分布数据；

第二计算模块，用于根据各所述光学元件的传输函数和所述光学传感器的接收面的光场分布数据，计算所述目标模块的后波面光场分布数据；

第三计算模块，用于根据所述目标模块的前波面光场分布数据和所述目标模块的后波面光场分布数据计算超构表面相位分布数据；

设计模块，用于根据所述超构表面相位分布数据设计超构表面件。

7.一种电子设备，其特征在于，包括处理器和存储器，所述存储器存储有所述处理器可执行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时，运行如权利要求1-5任一项所述的超构表面件设计方法中的步骤。

8.一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运行如权利要求1-5任一项所述的超构表面件设计方法中的步骤。

9.一种光学系统优化方法，其特征在于，包括：基于权利要求1-5任一项所述的超构表面件设计方法得到超构表面件，并用所述超构表面件替换原光学系统中的目标模块。

10.根据权利要求9所述的光学系统优化方法，其特征在于，所述用所述超构表面件替换原光学系统中的目标模块的步骤包括：

若前向模块包含光学元件，则使替换后的超构表面件的超构表面与前向模块中最后一个光学元件的后波面的距离等于原光学系统中的前向模块中最后一个光学元件的后波面与目标模块的首个光学元件的前波面的距离；

若前向模块仅包括光源，则使替换后的超构表面件的超构表面与光源的发射面的距离等于原光学系统中的第一个光学元件的前波面与光源的发射面的距离；

若后向模块包含光学元件，则使替换后的超构表面件的超构表面与后向模块中首个光学元件的前波面的距离等于原光学系统中的后向模块中首个光学元件的前波面与目标模块的最后一个光学元件的后波面的距离；

若后向模块仅包括光学传感器，则使替换后的超构表面件的超构表面与光学传感器的接收面的距离等于原光学系统中的最后一个光学元件的后波面到光学传感器的接收面的距离。