一种面向大景深成像的超表面阵列设计方法

本发明涉及微纳光学器件设计领域，尤其涉及一种面向大景深成像的超表面阵列设计方法。

背景技术：

1、随着微纳制造、平面光学和超表面器件的发展，利用超表面阵列在有限厚度内实现成像调控，已经成为小型化光学系统的重要发展方向。与传统折射镜组相比，超表面阵列能够通过单元尺度的结构设计实现波前整形，在减小系统体积、降低装调复杂度和提升集成度方面具有明显优势，因此在便携式成像、工业检测、近距观察和轻量化感知设备中具有较高应用价值。对于这类系统而言，大景深能力是决定其实用性的核心指标之一，因为实际目标通常分布在较大的距离范围内，若器件只能在单一焦面附近保持较好成像，则一旦目标前后移动，离焦模糊会迅速增强，导致有效清晰范围明显受限。

2、现有超表面设计方法大多从单点成像或局部单元响应出发，对目标距离变化带来的退化分布缺乏统一约束，容易出现设计目标只覆盖少数典型位置、不同距离上的响应不均衡、相邻距离层之间变化突兀以及边缘区域与中心区域调制能力失配等问题。

3、进一步地，很多方案在工程实现时将目标约束提取、单元参数求解、全口径结构铺展和版图生成分散处理，前一阶段形成的设计意图不能稳定传递到后一阶段，最终导致得到的器件虽然在局部仿真中可行，但在全口径结构连续性、加工一致性和可制造版图输出方面仍存在明显缺口，表现为约束与结构之间对应关系不清、阵列展开后边界拼接不平滑、版图生成对工艺偏差考虑不足，难以形成一条从景深需求到可加工器件文件的完整设计链路。

4、以上背景技术内容的公开仅用于辅助理解本发明的构思及技术方案，其并不必然属于本专利申请的现有技术，在没有明确的证据表明上述内容在本专利申请的申请日已经公开的情况下，上述背景技术不应当用于评价本技术的新颖性和创造性。

技术实现思路

1、为解决大景深超表面阵列设计中从光学需求到可制造器件的一体化衔接问题，本发明提出一种面向大景深成像的超表面阵列设计方法，克服了现有技术中设计目标与结构结果脱节、阵列展开连续性不足以及器件设计与加工输出之间衔接不紧的缺陷。

2、为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

3、第一方面，本发明公开了一种面向大景深成像的超表面阵列设计方法，包括以下步骤：

4、s1：基于在多个距离采样点采集的图像，获取表征成像退化程度的参数，形成大景深约束集合；

5、s2：建立超构单元数据库，基于所述大景深约束集合和所述超构单元数据库，通过分层目标响应构造和径向加权组合，生成阵列编码参数；

6、s3：将所述阵列编码参数在超表面全口径范围内进行展开和平滑处理，生成全口径分层结构分布；

7、s4：基于所述全口径分层结构分布，生成可制造的超表面版图文件。

8、优选地，步骤s1具体包括：

9、s11：根据应用场景确定工作距离区间，转换为多个距离采样点；

10、s12：在每个距离采样点采集标定图像，提取边缘扩散宽度；

11、s13：将边缘扩散宽度与图像传感器采样间隔归一化处理，得到归一化退化程度；

12、s14：将所有距离采样点及其对应的归一化退化程度进行配对，形成大景深约束集合。

13、优选地，步骤s2具体包括：

14、s21：根据所述大景深约束集合，计算各距离层的目标响应强度；

15、s22：将各距离层的目标响应强度进行归一化，得到各距离层的归一化权重；

16、s23：建立超构单元数据库，基于各距离层的归一化权重，将所述超构单元数据库中的基础径向响应函数进行加权组合，生成阵列编码参数。

17、优选地，步骤s21具体包括：基于所述大景深约束集合中当前距离层的归一化退化程度及其相邻层的归一化退化程度，通过引入邻域变化调节系数来计算各距离层的目标响应强度。

18、步骤s21中计算各距离层的目标响应强度表示为：

19、

20、表示第个距离层的目标响应强度，表示所述大景深约束集合中第个距离采样点对应的归一化退化程度，和分别表示所述大景深约束集合中相邻前一层和后一层的归一化退化程度，表示邻域变化项的调节系数；

21、步骤s22中得到各距离层的归一化权重为：

22、

23、式中，表示第个距离层对应的归一化权重，表示距离层的总数；

24、步骤s23中生成的阵列编码参数为：

25、

26、表示径向位置处的阵列编码参数，表示第个距离层对应的基础径向响应函数。

27、优选地，步骤s3具体包括：

28、s31：在全口径平面建立子孔径阵列及环带网格；

29、s32：基于所述阵列编码参数和全口径位置修正项计算局部目标编码，并将相邻子孔径的局部目标编码进行平滑处理得到目标结构编码；

30、s33：将所述目标结构编码映射到所述超构单元数据库中的超构单元编号，生成全口径分层结构分布。

31、优选地，步骤s32具体包括：

32、s321：基于所述阵列编码参数在局部半径处的取值，并引入与子孔径中心到器件中心的距离相关的全口径位置修正项，计算加入位置修正后的局部目标编码值；

33、s322：将当前子孔径的局部目标编码值与相同环带序号处的相邻子孔径局部目标编码均值进行加权平滑处理，得到目标结构编码，以提高相邻子孔径间编码参数的连续性。

34、步骤s32中基于所述阵列编码参数和全口径位置修正项计算的局部目标编码表示为：

35、

36、式中，表示全口径坐标处加入位置修正后的局部目标编码值，表示所述阵列编码参数在局部半径处的取值，表示全口径位置修正系数，表示当前点所在子孔径中心到整个器件中心的距离，表示最外层子孔径中心到器件中心的最大距离，表示所述阵列编码参数中相邻环带编码参数的平均变化量；

37、步骤s32中将相邻子孔径的局部目标编码进行平滑处理得到的目标结构编码表示为：

38、

39、式中，表示经过相邻子孔径平滑后的目标结构编码值，表示子孔径拼接修正系数，表示当前子孔径在相同环带序号处的相邻子孔径局部目标编码均值。

40、优选地，步骤s33中具体包括：将所述目标结构编码映射到所述超构单元数据库中的超构单元编号时，同时考虑候选超构单元编码与目标结构编码的接近程度、以及当前点与已确定相邻点编码值之间的局部连续性，以生成具有二维平滑性的全口径分层结构分布。

41、步骤s33中生成的全口径分层结构分布表示为：

42、

43、式中，表示全口径坐标处最终选中的超构单元编号，表示超构单元数据库中的全部候选编号集合，表示候选编号对应的编码值，表示目标结构编码值，表示局部连续性调节系数，表示当前点左侧已确定单元的编码值，表示当前点上方已确定单元的编码值。

44、优选地，步骤s4具体包括：

45、s41：建立与所述超构单元数据库对应的标准单元模板库，基于所述全口径分层结构分布中的超构单元编号从所述标准单元模板库读取几何模板；

46、s42：结合工艺标定参数对所述几何模板进行尺度修正和边缘补偿，生成实例化顶点坐标；

47、s43：将所有所述实例化顶点坐标按版图格式组织，生成可制造的超表面版图文件。

48、优选地，步骤s42中具体包括：基于从标准单元模板库读取的几何模板，结合工艺标定参数对所述几何模板进行尺度修正和沿边界外法向的边缘补偿，生成实例化顶点坐标

49、步骤s43具体包括：将全口径所有位置的实例化顶点坐标按版图格式组织为多边形集合，生成可制造的超表面版图文件。

50、步骤s42生成的实例化顶点坐标表示为：

51、

52、式中，表示位置处最终写入版图的第个顶点坐标，表示该位置的单元中心坐标，表示所述全口径分层结构分布中的超构单元编号对应标准单元模板库中的第个局部顶点坐标，表示所述全口径分层结构分布中的超构单元编号对应标准单元模板库中的第个顶点处对应边界的外法向向量，表示所述全口径分层结构分布中的超构单元编号对应的尺度修正系数，表示所述全口径分层结构分布中的超构单元编号对应的边缘补偿量；

53、步骤s43生成的可制造的超表面版图文件表示为：

54、

55、式中，表示最终生成的超表面版图文件对应的多边形集合，表示基于所述全口径分布结构分布的定义域得到的全口径离散网格中的全部位置索引集合，表示由一组按顺序连接的顶点生成单个闭合多边形的操作，表示该单元模板包含的顶点数量。

56、第二方面，本发明公开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第一方面所述的大景深多通道光谱分层响应超构表面设计方法的步骤。

57、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明通过将大景深成像需求转化为可计算的约束集合，并基于该约束集合生成阵列编码参数，再通过全口径展开和平滑处理形成分层结构分布，最终输出可制造版图文件，实现了从景深需求到可加工器件文件的完整设计链路。该方法通过分层目标响应构造和径向加权组合，使不同距离位置的成像退化需求能够直接嵌入阵列编码生成过程，确保了设计目标与结构结果的一致性；通过全口径范围进行展开和平滑处理，有效提高阵列结构的连续性和平滑性，并基于全口径分层结构分布生成可制造的超表面版图文件，增强了版图文件的可制造性和加工一致性。整体上，本发明能够有效解决传统方案中设计意图传递不稳定、阵列展开连续性不足以及器件设计与加工输出脱节的问题，提升超表面阵列在大景深成像场景中的实用性和可靠性。

58、在进一步的方案中，本发明还具有以下有益效果：

59、（1）通过邻域变化项的引入，使目标响应强度不仅反映当前层的补偿需求，还反映该层在整个景深分布中的变化敏感度，提升了分层响应的均衡性。

60、（2）通过全口径位置修正和相邻子孔径平滑处理，提高了阵列结构的连续性和平滑性，避免了边缘与中心区域的调制失配。

61、（3）通过局部连续性调节，使全口径结构分布在保持目标编码的同时具有良好的二维平滑性，有利于加工和成像性能。

62、（4）通过工艺标定参数进行尺度修正和边缘补偿，以生成实例化顶点坐标，使版图文件更符合实际加工条件，提高了制造精度和成品率。

63、本发明实施例中的其他有益效果将在下文中进一步述及。