CN114624878B - 光学系统设计的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本申请提供了一种光学系统设计方法及装置，属于光学技术领域。其中，所述方法包括：步骤S1，根据设计要求确定光学系统的初始结构参数；步骤S2，基于光线追迹对所述初始结构参数进行优化，获得理论结构参数；步骤S3，对所述理论结构参数中超透镜的相位进行离散化处理，得到超透镜的离散相位；步骤S4，基于所述离散相位进行光场传播仿真，获得光学系统的像质评价指标；步骤S5，基于满足设计要求的像质评价指标得到目标结构参数；或基于不满足设计要求的像质评价指标重复优化得到所述目标结构参数。通过本申请实施例提供的光学设计方法及装置，实现了折‑超混合系统的设计。
Description
技术领域
本申请涉及光学技术领域，具体而言，涉及一种光学系统设计方法及装置。
背景技术
超透镜是超表面的一种具体应用，通过其上阵列排布的纳米结构对入射光的振幅、频率和相位等进行调制。随着超透镜技术的发展，超透镜与传统的折射透镜相结合的光学系统(也被称为折-超混合系统)的应用越来越广。
由于超透镜的表面具有阵列排布的纳米结构，其相位分布比传统透镜复杂，导致传统的光学系统设计方法难以应用于超透镜和折射透镜混合的光学系统设计中。
因此，亟需一种应用于超透镜和折射透镜混合的光学系统中。
发明内容
为解决现有光学系统设计方法难以应用于折-超混合系统的技术问题，本申请实施例提供一种光学系统设计的方法及装置。
第一方面，本申请实施例提供了一种光学系统设计方法，所述方法包括：
步骤S1，根据设计要求确定光学系统的初始结构参数；
步骤S2，基于光线追迹对所述初始结构参数进行优化，获得理论结构参数；
步骤S3，对所述理论结构参数中超透镜的相位进行离散化处理，得到超透镜的离散相位；
步骤S4，基于所述离散相位进行光场传播仿真，获得光学系统的像质评价指标；
步骤S5，基于满足设计要求的像质评价指标得到目标结构参数；或基于不满足设计要求的像质评价指标重复优化得到所述目标结构参数。
可选地，所述步骤S2包括：
步骤S201，初始化光学系统的所述初始结构参数；
步骤S202，初始化光线追迹参数；
步骤S203，针对W工作波长、M个视场、每个视场下N条光线进行第w个波长、m个视场下的第n条光线进行光线追迹；其中，w＝1，…，W；m＝1，…，M；n＝1，…，N；
步骤S204，计算能量包围圆半径，从而计算目标函数的值。
可选地，所述基于光线追迹对所述初始结构参数进行优化包括使所述目标函数达到最小值；
其中，所述目标函数满足：
Tar＝∑i＝1ciREE(FOVI)；
其中，Tar为所述目标函数，ci为各视场下的权重因子，REE(FOVi)第i个视场下的能量包围圆半径。
可选地，所述步骤S3包括：
步骤S301，根据所述理论结构参数中超透镜上纳米结构在不同波长下的所需相位，在纳米结构数据库中选择纳米结构。
可选地，所述步骤S4包括：
步骤S401，将超透镜表面的纳米结构的离散相位根据超结构单元大小和排列方式插值，并将折射透镜等效为平面相位；
步骤S402，针对W工作波长、M个视场进行第w个视场下的光场传播至焦点区域进行仿真；
步骤S403，基于仿真结果，得到光学系统的像质评价指标。
可选地，所述步骤S403包括：
步骤S4031，在焦平面得到不同视场下的点扩散函数；
步骤S4032，基于所述点扩散函数，得到光学系统的其他像质评价指标。
可选地，所述步骤S5中重复优化包括：
当像质评价不满足设计要求时，则重复所述步骤S2至所述步骤S4，直到获得满足设计要求的像质评价指标。
可选地，所述理论结构参数中的超透镜相位至少满足下述任一公式：
其中，λ为光波长，ai和bi均为所述步骤S3得到的相位系数，r为超透镜表面的中心到任一纳米结构中心的距离，(x，y)为超透镜的镜面坐标。
可选地，所述步骤S2中对所述初始结构参数进行优化基于广义折射定律。
可选地，所述广义折射定律包括折射定律和纳米结构折射公式；
所述折射定律为：
nisinθi＝nrsinθr
其中，ni与nr分别为入射介质与折射介质的折射率，θi与θr分别为入射角与折射角；
所述纳米结构折射公式为：
其中，ni与nr分别为入射介质与折射介质的折射率，θi与θr分别为入射角与折射角；λ0为真空中的光波长；r为超透镜表面的中心到任一纳米结构中心的距离；为沿超透镜径向方向的相位梯度。
可选地，所述步骤S301中选择最接近实际相位的纳米结构采用最小化加权误差的优化算法或平均差最小算法。
可选地，所述步骤S4中进行仿真包括通过瑞利-索末菲衍射公式、菲涅尔衍射公式、夫琅禾费衍射公式中的一种或多种进行光场仿真；或者，
通过与瑞利-索末菲衍射公式、菲涅尔衍射公式、夫琅禾费衍射公式对应的角谱进行光场仿真。
可选地，所述方法还包括：
步骤S6，退回步骤S1重新选取初始结构参数，并重复步骤S1至步骤S5，直至获得满足设计要求的目标结构参数。
可选地，所述设计要求包括工作波段、视场角、焦距、透过率、调制传递函数和系统总长。
可选地，所述初始结构参数包括折射透镜和超透镜的材料、数量、超透镜相位、镜组间距离、折射透镜曲率以及折射透镜非球面系数。
可选地，所述步骤S205中所述目标函数的计算中，变量包括超透镜相位、镜组间距离、折射透镜曲率以及折射透镜非球面系数。
可选地，所述步骤S205中所述目标函数的计算中，所述目标函数包括光学系统的焦平面上光斑的大小。
第二方面，本申请实施例还提供了一种光学设计装置，适用于上述任一实施例提供的光学系统设计方法，所述装置包括：
输入模块，被配置为输入光学系统的初始结构参数；
第一优化模块，被配置为基于光线追迹对所述初始结构参数进行优化，得到理论结构参数；
离散化模块，被配置为对所述理论结构参数中超透镜的相位进行离散化处理，得到超透镜的离散相位；
仿真模块，被配置为基于所述离散相位进行光场传播仿真，获得光学系统的像质评价指标；
第二优化模块，被配置为基于满足设计要求的像质评价指标得到目标结构参数；或基于不满足设计要求的像质评价指标重复优化得到所述目标结构参数。
可选地，所述第一优化模块包括：
第一初始化模块，被配置为初始化光学系统的初始结构参数；
第二初始化模块，被配置为初始化光线追迹参数；
光线追迹模块，被配置为W工作波长、M个视场、每个视场下N条光线进行第w个波长、m个视场下的第n条光线进行光线追迹；其中，w＝1，…，W；m＝1，…，M；n＝1，…，N；
目标函数计算模块，被配置为计算能量包围圆半径，从而计算目标函数的值。
可选地，所述离散化模块包括：
选取模块，被配置为根据理论结构参数中超透镜上纳米结构在不同波长下的所需相位，在纳米结构数据库中选择纳米结构。
可选地，所述仿真模块包括：
等效模块，被配置为将超透镜表面上纳米结构的离散相位根据超结构单元大小和排列方式插值，并将折射透镜等效为平面相位；
仿真计算模块，被配置为针对W工作波长、M个视场进行第w个视场下的光场传播至焦点区域进行仿真；并基于仿真结果，得到该光学系统的像质评价指标。
第三方面，本申请实施例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上述任意一项所述的光学系统设计方法中的步骤。
第四方面，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任意一项所述的光学系统设计方法中的步骤。
本申请实施例提供的光学系统设计方法、装置、电子设备及计算机可读存储介质，至少取得如下有益效果：
本申请实施例提供的光学系统设计方法及装置，通过光线追迹对初始结构参数进行优化，尤其是通过纳米结构折射率公式对超透镜进行优化，得到理论结构参数，实现了对折-超混合系统的设计；进而对理论结构参数进行离散化，得到离散相位，使光学系统中超透镜纳米结构的相位接近实际生产的纳米结构的相位；最后，通过光场传播仿真克服了光线追迹不适用于离散相位的问题，对离散相位进行优化获得可用于生产的目标结构参数。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或背景技术中的技术方案，下面将对本申请实施例或背景技术中所需要使用的附图进行说明。
图1示出了本申请实施例所提供的一种光学系统设计方法的流程图；
图2示出了本申请实施例所提供的沿超透镜径向方向的相位梯度；
图3示出了本申请实施例所提供的沿超透镜径向方向的相位梯度；
图4示出了本申请实施例所提供的光学系统设计方法中基于光线追迹对初始结构参数进行优化的示意图；
图5示出了本申请实施例所提供的光学系统设计方法中对理论结构参数中进行离散化处理的示意图；
图6示出了本申请实施例所提供的光学系统设计方法中基于离散相位进行光场传播仿真的示意图；
图7示出了本申请实施例所提供的光学系统设计方法中基于仿真结果获得像质评价指标的示意图；
图8示出了本申请实施例所提供的纳米柱结构的直径、波长及相位调制的关系图；
图9示出了本申请实施例所提供的纳米环柱结构的直径、波长及相位调制的关系图；
图10示出了锗晶体在波长8～12μm的折射率曲线图；
图11示出了本申请实施例所提供的光学系统设计方法基于光线追迹所得的一种可选的理论结构；
图12示出了本申请实施例所提供的一种可选的光学系统中ML1在8μm波长下的实际相位与理论相位；
图13示出了本申请实施例所提供的一种可选的光学系统中ML1在10μm波长下的实际相位与理论相位；
图14示出了本申请实施例所提供的一种可选的光学系统中ML1在12μm波长下的实际相位与理论相位；
图15示出了本申请实施例所提供的一种可选的光学系统中ML2在8μm波长下的实际相位与理论相位；
图16示出了本申请实施例所提供的一种可选的光学系统中ML2在10μm波长下的实际相位与理论相位；
图17示出了本申请实施例所提供的一种可选的光学系统中ML2在12μm波长下的实际相位与理论相位；
图18示出了本申请实施例所提供的一种可选的光学系统中0视场的点扩散函数；
图19示出了本申请实施例所提供的一种可选的光学系统中0.5视场的点扩散函数；
图20示出了本申请实施例所提供的一种可选的光学系统中1视场的点扩散函数；
图21示出了本申请实施例所提供的一种可选的光学系统中所有视场的调制传递函数；
图22示出了本申请实施例所提供的一种可选的光学系统的实际成像效果图；
图23示出了本申请实施例所提供的光学系统设计装置的示意图；
图24示出了本申请实施例所提供的第一优化模块的示意图；
图25示出了本申请实施例所提供的离散化模块的示意图；
图26示出了本申请实施例所提供的仿真模块的示意图；
图27示出了本申请实施例所提供的电子设备的示意图。
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。
相关技术中有一种光学设计的方法，该方法分析了单片折射凸透镜和与之配合的超透镜的相位，得到了单个折射透镜和单个超透镜结合的理论结构。一方面，虽然此论文得到了单片折射透镜和单片超透镜结合的理论结构，但由于超透镜上纳米结构带来的相位突变，当透镜数量增加时，成像效果变化较大。因此，该方法不适用于透镜数量大于两片的折-超混合系统。另一方面，由于超透镜的纳米结构加工过程中会产生误差，造成实际的成像结果与理论结构的成像相差很大，从而无法满足设计要求。
因此，亟需一种光学系统设计方法能够适用于多片透镜组成的折-超混合系统，并且能够克服纳米结构加工的误差对成像效果的影响。
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。
图1示出了本申请实施例所提供的一种光学系统设计方法。如图1所示，该方法至少包括以下步骤S1至S4。
步骤S1，根据设计要求确定光学系统的初始结构参数。
光学系统的设计要求至少包括工作波段、视场角、焦距、透过率、调制传递函数(MTF，Modulation Transfer Function)和系统总长(TTL，Total Track Length)等。初始结构参数包括折射透镜和超透镜的材料、透镜数量、超透镜相位、镜组间距离、折射透镜曲率以及折射透镜非球面系数等。一般地，折射透镜和超透镜的材料由光学系统的工作波段以及透过率确定。例如，通过工作波段确定折射透镜材料，选用在工作波段高透过率的超透镜基底和纳米结构数据库。例如，折射透镜和超透镜的材料对工作波段的透过率大于等于10％、或大于等于20％、或大于等于30％、或大于等于40％、或大于等于50％、或大于等于60％、或大于等于70％、或大于等于80％、或大于等于90％、或大于等于95％。再例如，折射透镜和超透镜的材料在工作波段的消光系数小于或等于0.1。最后确定初始结构中使用的超透镜和折射透镜的片数。
具体而言，确定初始结构参数的基本原则是从简单到复杂、减少片数、减少系统总长。
更具体地，从简单到复杂原则，举例来说，选择初始结构时从1P/G+1ML开始，到1P/G+1ML或者2P/G+1ML，再到1P/G+2ML或2P/G+1ML，逐渐增加结构的复杂程度。其中，P/G指塑料/玻璃镜片，ML指超透镜。减少片数原则是指满足设计要求的光学系统采用传统的折射透镜需要第一片数片透镜，第一片数为大于或等于3的整数；而引入超透镜后，总片数为第二片数，第二片数小于第一片数。减少系统总长原则是指满足设计要求的光学系统采用传统的折射透镜后系统总长为第一长度，而引入超透镜后，系统总长为第二长度，第二长度小于第一长度。
步骤S2，基于光线追迹对初始结构参数进行优化，获得理论结构参数。
光线追迹是指通过追踪具有代表性的光线的传播轨迹，从而描述光线与光学元件接触之后的行为变化，达到精确描述光学系统性能的目的。本申请一些具体的实施例中，将超透镜相位、镜组间距离、折射透镜曲率以及折射透镜的非球面系数作为变量，以焦平面上光斑大小作为目标函数进行最优化。若优化结果发散，则继续选取初始优化点进行优化；若优化结果收敛，则采用该目标函数对应的超透镜相位信息、镜组间距离、折射透镜曲率以及折射透镜非球面系数等变量。
可选地，优化过程中，使用基于广义折射定律的光线追迹算法。其中，目标函数是采用初始结构参数的光学系统焦平面上各个视场所追迹的光线在此视场内形成的能量包围圆的大小。前述能量包围圆的定义为包含至少90％的追迹光线的焦点坐标所构成的圆的半径。各个视场可设置与之对应的权重系数。
根据本申请的实施方式，基于光线追迹对所述初始结构参数进行优化包括使所述目标函数达到最小值；其中，目标函数如公式(1)所述：、
Tar＝∑i＝1ciREE(FOVI) (1)
公式(1)中，Tar为目标函数，ci为各视场下的权重因子，REE(FOVi)第i个视场下的能量包围圆半径。
因此，本申请实施例提供的光学设计方法通过步骤S2获得了这超混合系统的理论结构参数，实现了折超混合系统的设计。
步骤S3，对理论结构参数中超透镜的相位进行离散化处理，得到超透镜的离散相位。
由于步骤S2中的优化结果收敛，故步骤S2得到的超透镜的相位是连续的，是一种理想状态下的理论相位。由于纳米结构的尺寸小，加工时精度要求高，加工难度大，容易造成实际生产的超透镜上纳米结构的相位是离散的，而不是连续的。因此，实际使用的纳米结构的光相位与光纤追迹优化得到的光相位可能存在较大误差，造成实际成像效果存在不满足设计要求的可能性。因此，将步骤S2中优化得到的超透镜的理论相位进行离散化，以尽可能地接近实际生产的超透镜上纳米结构的相位。
通过纳米结构数据库将步骤S3中优化得到的超透镜相位离散化。对于多数折-超混合系统，纳米结构数据库中的结构很难完全符合理论设计要求，故需要使用例如平均差最小法的方式选取纳米结构。
在一种可选的实施方式中，步骤S2中得到理论结构参数中的超透镜相位如下述公式(2)至公式(9)所示：
公式(2)至(9)中，λ为光波长，ai和bi均为步骤S3得到的相位系数，r为超透镜表面的中心到任一纳米结构中心的距离，(x，y)为超透镜的镜面坐标。需要说明的是，超透镜的相位可以用高次多项式表达，其中，公式(2)、(6)和(7)能够对满足奇次多项式的相位进行优化且不破坏其旋转对称性，极大地增加了超透镜的优化自由度。而公式(3)、(4)、(5)、(8)和(9)只能对满足偶次多项式的相位进行优化。此外，公式(7)中，aij和bij为非对称的相位系数。需要注意的是，上述公式中ai和bi的正负与超透镜的光焦度相关，不做特殊要求。例如，当超透镜具有正光焦度时，公式(3)、(4)、(5)、(8)和(9)中，a1或b1小于零；而公式(2)、(6)和(7)中，a2或b2小于零。因此，该光学设计方法通过步骤S3获得了比理论结构参数更接近这超混合系统实际相位的离散相位。
步骤S4，基于离散相位进行光场传播仿真，获得光学系统的像质评价指标。由于离散相位不可导，无法通过光线追迹进行优化，而通过光场传播仿真，基于像质评价指标对离散相位进行优化。
步骤S5，基于满足设计要求的像质评价指标得到目标结构参数；或基于不满足设计要求的像质评价指标重复优化得到目标结构参数。
具体地，若像质评价指标满足设计要求，则采用步骤S4中的结构参数作为目标结构参数；若像质评价指标不满足设计要求，则退到步骤S2进行重新优化，重复步骤S2至步骤S4，直至获得满足设计要求的像质评价指标，从而得到目标结构参数。目标结构参数是用于光学系统生产调试的结构参数。
光场是光线在空间传播中的四维概念，是空间中同时包含位置和方向信息的四维光辐射场的参数化表示，是空间中所有光线光辐射函数的总体。光场传播仿真用于对整个光学系统进行像质评价，即成像质量评价。光学系统的像质评价指标至少包括点扩散函数和调制传递函数等。
进一步地，若步骤S5无法获得满足设计要求的结构参数，则本申请实施例提供的光学系统设计方法，还包括：
步骤S6，退回步骤S1重新选取初始结构参数，并重复步骤S1至步骤S5，直至获得满足设计要求的目标结构参数。
更进一步地，本申请实施例提供的光学系统设计方法，还包括：
步骤S7，基于目标结构参数，确定超透镜的版图、折射透镜的加工图以及光学系统的装配图；
步骤S8，基于超透镜的版图、折射透镜的加工图以及光学系统的装配图进行生产和调试。
在一种可选的实施方式中，步骤S2中对初始结构参数进行优化基于广义折射定律。应理解，对于本申请实施例所提供的光学系统中，折射透镜与超透镜的基底不包含纳米结构，光线射入折射透镜与超透镜的基底仍满足折射定律，如公式(10)所示：
nisinθi＝nrsinθr (10)；
公式(10)中，ni与nr分别为入射介质与折射介质的折射率，θi与θr分别为入射角与折射角。
需要说明的是，对于超透镜的纳米结构，由于超透镜上阵列排布的纳米结构对入射光线赋予突变的相位，光线射入纳米结构时无法满足公式(10)。
本申请实施例提供的光学系统设计方法中，超透镜的纳米结构满足纳米结构折射公式，如公式(11)所示：
公式(11)中，ni与nr分别为入射介质与折射介质的折射率，θi与θr分别为入射角与折射角；λ0为真空中的光波长；r为超透镜表面的中心到任一纳米结构中心的距离；为沿超透镜径向方向的相位梯度，如图2和图3所示。图2示出了平面基底超透镜沿径向方向的相位梯度。图3示出了曲面基底超透镜沿径向方向的相位梯度。本申请实施例提供的纳米结构折射公式，通过基于广义折射定律引入沿超透镜径向方向的相位梯度，实现了对超透镜的纳米结构进行光线追迹，也克服了该光学系统超透镜片数增加使光线追迹难度增加的问题。
更进一步地，步骤S2中，如图4所示，基于光线追迹对初始结构参数进行优化包括如下步骤S201至步骤S204。
步骤S201，初始化光学系统的初始结构参数。初始结构参数包括超透镜每个镜面的相位、折射透镜折射率、镜组间距离等参数。
步骤S202，初始化光线追迹参数。可选地，光线追迹参数包括视场角、每个视场下的光线追迹数量和每个视场下的光线参数。
在本申请实施例一些优选的实施例中，光线追迹参数由计算机随机产生。采用随机产生的光线追迹参数会有更多的优化起始点，更有利于在初始结构参数的优化过程中获得全局最优解。若不采取随机的光线追迹参数，而采取人为选取的光线追迹参数，虽然有可能简化计算，加速优化，但是更容易陷入局部优化，从而获得局部最优解而不是全局最优解。
步骤S203，针对W工作波长、M个视场、每个视场下N条光线进行第w个波长、m个视场下的第n条光线进行光线追迹。其中，w＝1，…，W；m＝1，…，M；n＝1，…，N。即，将工作波长分为W个(可选为均分)，例如：将8-12μm的波段分成41个，则分别为8.1μ.、8.2μm、8.3μm…11.9μm、12μm。
具体地，通过广义折射定律与纳米结构折射公式计算单根光线在光学系统中每个面的交点坐标。若光线到达该光学系统的像面，则计算该光线在像面上的交点坐标，并重复步骤S203至步骤S204；若光线未到达像面，则重复步骤S201至步骤S204；直到w*m*n条光线均到达像面。w*m*n表示w、m、n的乘积。
步骤S204，计算能量包围圆半径，从而计算目标函数的值。可选地，采用公式(1)进行目标函数值的优化计算。
Tar＝∑i＝1ciREE(FOVi) (1)
公式(1)中，Tar为目标函数，ci为各视场下的权重因子，REE(FOVi)第i个视场下的能量包围圆半径。
若优化结果发散，则返回步骤S201继续选取初始优化点进行优化；若优化结果收敛，则该目标函数值对应的结构参数为理论结构参数。
示例性地，步骤S205中目标函数的计算中，变量包括超透镜相位、镜组间距离、折射透镜曲率以及折射透镜非球面系数；目标函数包括该光学系统的焦平面上光斑的大小。
在本申请一种可选的实施方式中，步骤S3中，如图5所示，对理论结构参数中进行离散化处理包括：
步骤S301，根据理论结构参数中超透镜上纳米结构在不同波长下的所需相位，在纳米结构数据库中选择最接近实际相位的纳米结构。
可选地，选择最接近的纳米结构采用最小化加权误差的优化算法，其原理如公式(12)所示：
公式(12)中，Δ(x,y)为纳米结构在超透镜表面坐标为(x，y)处的总误差；为纳米结构在波长λi下的理论相位；为数据库中第j个纳米结构在波长λi下的实际相位；ci为此波长的权重系数。
通常，权重系数ci等于1。通过搜索整个纳米结构数据库，寻找使得总误差最小的纳米结构设置在超透镜表面上坐标为(x，y)的位置。本申请实施例提供的光学系统设计方法，通过上述公式(12)选取纳米结构，能够得到最接近实际相位的纳米结构，尽可能地减小了实际加工中的误差对光学系统的成像效果的影响。一般情况下，由于光学系统的旋转对称性，超透镜表面的中心到任一纳米结构中心的距离r与该纳米结构在超透镜表面上的坐标(x，y)的换算关系如公式(13)：
在又一种本申请的实施方式中，步骤S4，如图6所示，基于离散相位进行光场传播仿真，获得该光学系统的像质评价指标具体包括步骤S401至步骤S403。
步骤S401，将超透镜表面的纳米结构的离散相位根据超结构单元大小和排列方式插值，并将折射透镜等效为平面相位。
需要说明的是，超结构单元是超透镜上纳米结构排列的最小单元。通常，超透镜的表面具有周期性排列的超结构单元，超结构单元的顶点和/或中心位置设置有纳米结构。优选地，超结构单元为可密堆积图形。
步骤S402，针对W工作波长、M个视场进行第w个视场下的光场传播至焦点区域进行仿真。
可选地，通过瑞利-索末菲衍射公式、菲涅尔衍射公式、夫琅禾费衍射公式中的一种或多种进行光场仿真，或通过与上述衍射公式对应的角谱进行光场仿真。上述衍射公式中，瑞利-索末菲衍射公式、菲涅尔衍射公式、夫琅禾费衍射公式的复杂度和准确度依次递减。在算力足够时，可以选择瑞利-索末菲衍射公式进行仿真。考虑到计算速度和计算精度，优选地，通过菲涅尔衍射公式进行仿真。
步骤S403，基于仿真结果，得到该光学系统的像质评价指标。
可选地，如图7所示，步骤S403具体包括：
步骤S4031，在焦平面得到不同视场下的点扩散函数。示例性地，点扩散函数的可视化形式为焦平面上不同视场下的焦点强度图。
步骤S4032，基于点扩散函数，得到该光学系统的其他像质评价指标，例如调制传递函数。调制传递函数的计算方法为点扩散函数做傅里叶变化后取模。
实施例1
在实施例1中，采用上述任一实施例提供的设计方法进行示例性的光学系统设计。光学系统的设计要求为：工作波段在8～12μm，焦距为2.2mm，F数为1.1，半视场角(HFOV，Half Field of View)为25°，调制传递函数(MTF)为在截止频率为30lp/mm时需大于等于0.3，光学系统总长度小于等于6mm。
如图1中步骤S1所示，选取锗晶体作为折射透镜，在纳米结构数据库中选择硫系玻璃上的硅圆柱和硅圆环柱，其在8～12μm波长下的相位调制分别如图8和图9所示。同时，将该光学系统的初始结构设置为2片超透镜加一片折射透镜的形式，即2ML+1P/G的形式。将上述2片超透镜分别记为ML1和ML2，则ML1与ML2的相位如公式(9)和公式(10)所示：
其中，λ为光波长，ai和bi分别为ML1与ML2上的相位系数，r为超透镜表面中心到任一纳米结构中心的距离。公式(14)和公式(15)为公式(3)的具体应用。
图10示出了锗晶体在波长8～12μm的折射率曲线图。如图1中步骤S2所示，通过光线追迹对该光学系统的初始结构参数进行优化。将ai和bi、锗透镜的曲率R、厚度t(厚度t为锗透镜的中心厚度)、三个透镜之间的间距d1、d2设为变量；超透镜ML1和ML2的基底厚度设为300μm定量；将该光学系统0视场、0.5视场(即12.5°半视场角入射)、1视场(25°半视场角入射)的焦平面上的能量包围圆半径的叠加作为优化的目标函数。其中，各视场的权重因子均为1。
基于光线追迹对目标函数进行优化后，得到该光学系统的理论结构参数如图11所示。其中，两个超透镜ML1和ML2相对设置封装后纳米结构在镜组内部，不易受到破坏和污染。该光学系统的系统总长(TTL)为5.8mm，小于设计要求的6mm。因此，理论结构参数满足设计要求。
通过光线追迹初步优化得到ML1和ML2上的相位系数ai和bi，如图1中步骤S3所示，对理论结构参数中的超透镜相位进行离散化。根据纳米圆柱与纳米圆环柱数据库中的数据对进行离散化，其离散效果如图12至图17所示。参考图16和图17可知，离散点坐标与光纤追迹得到的理论相位差的最大值小于2rad。
接下来，如步骤S4和步骤S5所示，基于离散化相位对该光学系统进一步优化，得到目标结构参数。
如图1中步骤S4所示，将离散化后的相位数据和平面化后的锗透镜数据进行光场传播仿真，得到该光学系统的像质评价指标。示例性地，在焦平面上得到0视场、0.5视场和1视场的光强图，即点扩散函数，如图18至图20所示。示例性地，将点扩散函数做傅里叶变换后取模得到该光学系统的调制函数。如图21所示，该光学系统所有视场的调制函数在截止频率30lp/mm时均大于0.3，满足设计要求。
根据步骤S5得到的目标结构参数，按照步骤S6至步骤S8加工获得满足设计要求的光学系统。该光学系统的实际成效效果图如图22所示。此外，对该光学系统在不同温度下(-40℃～60℃)进行仿真，发现该系统对温度不敏感。
综上所述，本申请实施例提供的光学系统设计方法，通过光线追迹对初始结构参数进行优化，尤其是通过纳米结构折射率公式对超透镜进行优化，得到理论结构参数；进而对理论结构参数进行离散化，得到离散相位，使光学系统中超透镜纳米结构的相位接近实际生产的纳米结构的相位；最后，通过光场传播仿真克服了光线追迹不适用于离散相位的问题，对离散相位进行优化获得可用于生产的目标结构参数。
上文结合图1至图22，详细描述了本申请实施例提供的光学系统设计方法，该方法也可以通过相应的装置实现，下面将结合图23至图26，详细描述本申请实施例提供的光学系统设计装置。
图23示出了本申请实施例所提供的一种光学系统设计装置的结构示意图。如图23所示，该光学系统设计装置包括：
输入模块100，被配置为输入光学系统的初始结构参数。
第一优化模块200，被配置为基于光线追迹对初始结构参数进行优化，得到理论结构参数。
离散化模块300，被配置为对理论结构参数中超透镜的相位进行离散化处理，得到超透镜的离散相位。
仿真模块400，被配置为基于离散相位进行光场传播仿真，获得该光学系统的像质评价指标。光场传播仿真中，折射透镜等效为平面相位。
第二优化模块500，被配置为基于满足设计要求的像质评价指标得到目标结构参数；或基于不满足设计要求的像质评价指标重复优化得到目标结构参数。
因此，本申请实施例的光学系统设计装置，通过第一优化模块基于光线追迹优化得到理论结构参数；通过离散化模块，对理论结构参数中的超透镜相位进行离散化，得到比理论相位更接近实际情况的超透镜离散相位；通过仿真模块，基于离散相位进行光场传播仿真，获得光学系统的像质评价指标；进而依据像质评价指标得到目标结构参数。由于本申请实施例提供的光学设计装置基于更接近实际生产的离散相位得到目标结构参数，给光学设计装置设计的光学系统更接近实际生产的最优解。
在本申请实施例中，可选地，如图24所示，本申请实施例提供的第一优化模块200包括：
第一初始化模块201，被配置为初始化光学系统的初始结构参数。
第二初始化模块202，被配置为初始化光线追迹参数。
光线追迹模块203，被配置为W工作波长、M个视场、每个视场下N条光线进行第w个波长、m个视场下的第n条光线进行光线追迹。其中，w＝1，…，W；m＝1，…，M；n＝1，…，N。
目标函数计算模块204，被配置为计算能量包围圆半径，从而计算目标函数的值。
在本申请实施例中，可选地，如图25所示，本申请实施例提供的离散化模块300包括：
选取模块301，被配置为根据理论结构参数中超透镜上纳米结构在不同波长下的所需相位，在纳米结构数据库中选择最接近实际相位的纳米结构。
可选地，在本申请实施例中，如图26所示，仿真模块400包括：
等效模块401，被配置为将超透镜表面上纳米结构的离散相位根据超结构单元大小和排列方式插值，并将折射透镜等效为平面相位。
仿真计算模块402，被配置为针对W工作波长、M个视场进行第w个视场下的光场传播至焦点区域进行仿真；并基于仿真结果，得到该光学系统的像质评价指标。
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光学系统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27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2210、处理器2220、收发器2230、总线接口2240、存储器2250和用户接口2260。
在本申请实施例中，该电子设备还包括：存储在存储器2250上并可在处理器2220上运行的计算机程序，计算机程序被处理器2220执行时实现以下步骤：
步骤S1，根据设计要求确定光学系统的初始结构参数。
步骤S2，基于光线追迹对初始结构参数进行优化，获得理论结构参数。
步骤S3，对理论结构参数中超透镜的相位进行离散化处理，得到超透镜的离散相位。
步骤S4，基于离散相位进行光场传播仿真，获得光学系统的像质评价指标。
步骤S5，基于满足设计要求的像质评价指标得到目标结构参数；或基于不满足设计要求的像质评价指标重复优化得到目标结构参数。
可选地，计算机程序被处理器2220执行时还可实现以下步骤：
步骤S6，退回步骤S1重新选取初始结构参数，并重复步骤S1至步骤S5，直至获得满足设计要求的目标结构参数。
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，初始化光学系统的初始结构参数。
步骤S202，初始化光线追迹参数。
步骤S203，针对W工作波长、M个视场、每个视场下N条光线进行第w个波长、m个视场下的第n条光线进行光线追迹。其中，w＝1，…，W；m＝1，…，M；n＝1，…，N。
步骤S204，计算能量包围圆半径，从而计算目标函数的值。
可选地，计算机程序被处理器2220执行步骤S3时，使得处理器具体实现以下步骤：
步骤S301，根据理论结构参数中超透镜上纳米结构在不同波长下的所需相位，在纳米结构数据库中选择最接近的纳米结构。
可选地，计算机程序被处理器2220执行步骤S4时，使得处理器具体实现以下步骤：
步骤S401，将超透镜表面的纳米结构的离散相位根据超结构单元大小和排列方式插值，并将折射透镜等效为平面相位。
步骤S402，针对W工作波长、M个视场进行第w个视场下的光场传播至焦点区域进行仿真。
步骤S403，基于仿真结果，得到该光学系统的像质评价指标。
可选地，计算机程序被处理器2220执行步骤S403时，使得处理器具体实现以下步骤：
步骤S4031，在焦平面得到不同视场下的点扩散函数。
步骤S4032，基于点扩散函数，得到该光学系统的其他像质评价指标。
本申请实施例中，收发器2230，用于在处理器2220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2210来代表)，总线2210可以包括任意数量互联的总线和桥，总线2210将包括由处理器2220代表的一个或多个处理器与存储器2250代表的存储器的各种电路连接在一起。
总线2210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2220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(FieldProgrammableGateArray，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2220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2210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2240在总线2210和收发器2230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2230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2230从其他设备接收外部数据，收发器2230用于将处理器2220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2260，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2250可进一步包括相对于处理器2220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2250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(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(SynchronousDRAM，SDRAM)、双倍数据速率同步动态随机存取存储器(Double DataRateSDRAM，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(Direct Rambus RAM，DRRAM)。本申请实施例描述的电子设备的存储器2250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2250存储了操作系统2251和应用程序2252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2251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2252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2252中。应用程序2252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光学系统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。
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 (22)
1.一种光学系统设计方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤S1，根据设计要求确定光学系统的初始结构参数；
步骤S2，基于光线追迹对所述初始结构参数进行优化，获得理论结构参数；
步骤S3，对所述理论结构参数中超透镜的相位进行离散化处理，得到超透镜的离散相位；
步骤S4，基于所述离散相位进行光场传播仿真，获得光学系统的像质评价指标；并且，所述步骤S4包括：
步骤S401，将超透镜表面的纳米结构的离散相位根据超结构单元大小和排列方式插值，并将折射透镜等效为平面相位；
步骤S402，针对W工作波长、M个视场进行第w个视场下的光场传播至焦点区域进行仿真；
步骤S403，基于仿真结果，得到光学系统的像质评价指标；
步骤S5，基于满足设计要求的像质评价指标得到目标结构参数；或基于不满足设计要求的像质评价指标重复优化得到所述目标结构参数。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S2包括：
步骤S201，初始化光学系统的所述初始结构参数；
步骤S202，初始化光线追迹参数；
步骤S203，针对W工作波长、M个视场、每个视场下N条光线进行第w个波长、m个视场下的第n条光线进行光线追迹；其中，w＝1，…，W；m＝1，…，M；n＝1，…，N；
步骤S204，计算能量包围圆半径，从而计算目标函数的值。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述基于光线追迹对所述初始结构参数进行优化包括使所述目标函数达到最小值；
其中，所述目标函数满足：
Tar＝∑i＝1ciREE(FOVI)；
其中，Tar为所述目标函数，ci为各视场下的权重因子，REE(FOVi)第i个视场下的能量包围圆半径。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S3包括：
步骤S301，根据所述理论结构参数中超透镜上纳米结构在不同波长下的所需相位，在纳米结构数据库中选择纳米结构。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S403包括：
步骤S4031，在焦平面得到不同视场下的点扩散函数；
步骤S4032，基于所述点扩散函数，得到光学系统的其他像质评价指标。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S5中重复优化包括：
当像质评价不满足设计要求时，则重复所述步骤S2至所述步骤S4，直到获得满足设计要求的像质评价指标。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述理论结构参数中的超透镜相位至少满足下述任一公式：
其中，λ为光波长，ai和bi均为所述步骤S3得到的相位系数，r为超透镜表面的中心到任一纳米结构中心的距离，(x，y)为超透镜的镜面坐标。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S2中对所述初始结构参数进行优化基于广义折射定律。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述广义折射定律包括折射定律和纳米结构折射公式；
所述折射定律为：
nisinθi＝nrsinθr
其中，ni与nr分别为入射介质与折射介质的折射率，θi与θr分别为入射角与折射角；
所述纳米结构折射公式为：
其中，ni与nr分别为入射介质与折射介质的折射率，θi与θr分别为入射角与折射角；λ0为真空中的光波长；r为超透镜表面的中心到任一纳米结构中心的距离；为沿超透镜径向方向的相位梯度。
10.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤S301中选择最接近实际相位的纳米结构采用最小化加权误差的优化算法或平均差最小算法。
11.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S4中进行仿真包括通过瑞利-索末菲衍射公式、菲涅尔衍射公式、夫琅禾费衍射公式中的一种或多种进行光场仿真；或者，
通过与瑞利-索末菲衍射公式、菲涅尔衍射公式、夫琅禾费衍射公式对应的角谱进行光场仿真。
12.如权利要求1-11任一所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
步骤S6，退回步骤S1重新选取初始结构参数，并重复步骤S1至步骤S5，直至获得满足设计要求的目标结构参数。
13.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述设计要求包括工作波段、视场角、焦距、透过率、调制传递函数和系统总长。
14.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述初始结构参数包括折射透镜和超透镜的材料、数量、超透镜相位、镜组间距离、折射透镜曲率以及折射透镜非球面系数。
15.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤S204中所述目标函数的计算中，变量包括超透镜相位、镜组间距离、折射透镜曲率以及折射透镜非球面系数。
16.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤S204中所述目标函数的计算中，所述目标函数包括光学系统的焦平面上光斑的大小。
17.一种光学设计装置，其特征在于，适用于权利要求1-16任一所述的光学系统设计方法，所述装置包括：
输入模块(100)，被配置为输入光学系统的初始结构参数；
第一优化模块(200)，被配置为基于光线追迹对所述初始结构参数进行优化，得到理论结构参数；
离散化模块(300)，被配置为对所述理论结构参数中超透镜的相位进行离散化处理，得到超透镜的离散相位；
仿真模块(400)，被配置为基于所述离散相位进行光场传播仿真，获得光学系统的像质评价指标；
第二优化模块(500)，被配置为基于满足设计要求的像质评价指标得到目标结构参数；或基于不满足设计要求的像质评价指标重复优化得到所述目标结构参数。
18.如权利要求17所述的装置，其特征在于，所述第一优化模块(200)包括：
第一初始化模块(201)，被配置为初始化光学系统的初始结构参数；
第二初始化模块(202)，被配置为初始化光线追迹参数；
光线追迹模块(203)，被配置为W工作波长、M个视场、每个视场下N条光线进行第w个波长、m个视场下的第n条光线进行光线追迹；其中，w＝1，…，W；m＝1，…，M；n＝1，…，N；
目标函数计算模块(204)，被配置为计算能量包围圆半径，从而计算目标函数的值。
19.如权利要求17所述的装置，其特征在于，所述离散化模块(300)包括：
选取模块(301)，被配置为根据理论结构参数中超透镜上纳米结构在不同波长下的所需相位，在纳米结构数据库中选择纳米结构。
20.如权利要求17所述的装置，其特征在于，所述仿真模块(400)包括：
等效模块(401)，被配置为将超透镜表面上纳米结构的离散相位根据超结构单元大小和排列方式插值，并将折射透镜等效为平面相位；
仿真计算模块(402)，被配置为针对W工作波长、M个视场进行第w个视场下的光场传播至焦点区域进行仿真；并基于仿真结果，得到该光学系统的像质评价指标。
21.一种电子设备，其特征在于，适用于权利要求1-16任一所述的光学系统设计方法，所述电子设备包括总线(2210)、处理器(2220)、收发器(2230)、总线接口(2240)、存储器(2250)和用户接口(2260)；
以及存储在所述存储器(2250)上并可在所述处理器(2220)上运行的计算机程序；
所述收发器(2230)、所述存储器(2250)和所述处理器(2220)通过所述总线(2210)相连，所述计算机程序被所述处理器(2220)执行时实现权利要求1-16任一所述的方法中的步骤。
22.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质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权利要求1-16任一所述的方法中的步骤。
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