CN111965837A

CN111965837A - 用于光线衍射传输问题的求解方法及系统

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Publication number: CN111965837A
Application number: CN202010750143.XA
Authority: CN
Inventors: 刘勤勇; 刘晓萌
Original assignee: INSTITUTE OF APPLIED PHYSICS AND COMPUTATIONAL MATHEMATICS; National Institute of Metrology
Current assignee: INSTITUTE OF APPLIED PHYSICS AND COMPUTATIONAL MATHEMATICS; National Institute of Metrology
Priority date: 2020-07-30
Filing date: 2020-07-30
Publication date: 2020-11-20
Anticipated expiration: 2040-07-30
Also published as: CN111965837B

Abstract

本发明公开了一种用于光线衍射传输问题的求解方法及系统，涉及光学领域。该方法包括：构建计算区域网格；对计算区域网格内的主光线进行追迹，将主光线穿过的晶体的第一个分界面扩展为无限大平面；对计算区域网格内的其他光线进行追迹，确定其他光线与无限大平面的交点；根据交点判断其他光线与主光线是否同侧，如果不同侧，则生成其他光线的虚光线，虚光线为假定在晶体内传播的虚拟光线，与主光线遵循相同的物理传播规律；根据主光线和虚光线进行衍射传输问题的求解。本发明可以用于任意形状的平面反射的衍射传输计算过程，具有实用性强的优点，解决了光线在不平行平面内传播的过程中，传统的光场衍射传输求解方法无法适用的问题。

Description

用于光线衍射传输问题的求解方法及系统

技术领域

本发明涉及光学领域，尤其涉及一种用于光线衍射传输问题的求解方法及系统。

背景技术

传统计算光场衍射传输，通常使用快速傅里叶变换加传播子的方法，首先构造一个光场的计算区域，通常要大于光场的实际区域1.5倍以上，以避免边界造成衍射影响计算结果。如图2所示，提供了一种光线直接传输时的衍射传输示意图，计算区域网格经过FFT后到频率空间，叠加上dz距离的传播子，再做反FFT，回到位置空间。此时，可以在位置空间加上放大、吸收过程，然后再次计算，直到传输到指定位置。

现有方法在计算直线传输过程中的光线没有任何问题，但是，在有些情况下，当需要计算光束反射过程的衍射传输时，现有方法将难以直接适用，尤其是对于光线在不平行平面内传播的过程中，涉及多次反射，传统的光场衍射传输求解方法无法适用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种用于光线衍射传输问题的求解方法及系统。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

一种用于光线衍射传输问题的求解方法，包括：

构建计算区域网格；

对所述计算区域网格内的主光线进行追迹，将所述主光线穿过的晶体的第一个分界面扩展为无限大平面；

对所述计算区域网格内的其他光线进行追迹，确定所述其他光线与所述无限大平面的交点；

根据所述交点判断所述其他光线与所述主光线是否同侧，如果不同侧，则生成所述其他光线的虚光线，所述虚光线为假定在所述晶体内传播的虚拟光线，与所述主光线遵循相同的物理传播规律；

根据所述主光线和虚光线进行衍射传输问题的求解。

本发明解决上述技术问题的另一种技术方案如下：

一种用于光线衍射传输问题的求解系统，包括：

计算区域构建单元，用于构建计算区域网格；

追迹单元，用于对所述计算区域网格内的主光线进行追迹，将所述主光线穿过的晶体的第一个分界面扩展为无限大平面；对所述计算区域网格内的其他光线进行追迹，确定所述其他光线与所述无限大平面的交点；

虚光线处理单元，用于根据所述交点判断所述其他光线与所述主光线是否同侧，如果不同侧，则生成所述其他光线的虚光线，所述虚光线为假定在所述晶体内传播的虚拟光线，与所述主光线遵循相同的物理传播规律；

计算单元，用于根据所述主光线和虚光线进行衍射传输问题的求解。

本发明解决上述技术问题的另一种技术方案如下：

一种存储介质，所述存储介质中存储有指令，当计算机读取所述指令时，使所述计算机执行如上述技术方案所述的用于光线衍射传输问题的求解方法。

本发明解决上述技术问题的另一种技术方案如下：

一种用于光线衍射传输问题的求解装置，包括：

存储器，用于存储计算机程序；

处理器，用于执行所述计算机程序，实现如上述技术方案所述的用于光线衍射传输问题的求解方法。

本发明的有益效果是：本发明通过对未进入晶体的光线进行处理，生成虚光线，假设虚光线在晶体内传播，由于虚光线的传播遵从物理规律，与主光线相同，因此可以复用光线追迹的程序，而每条虚光线都代表计算区域网格上的一个点，因此，虚光线所处的物理信息可以直接加载在计算区域网格上，进而直接使用直接衍射传输的算法，不需要改动原有算法，具有实现简单的优点，并且本方案不受界面是否平行的影响，可以用于任意形状的平面反射的衍射传输计算过程，具有实用性强的优点，解决了光线在不平行平面内传播的过程中，传统的光场衍射传输求解方法无法适用的问题。

本发明附加的方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明实践了解到。

附图说明

图1为本发明用于光线衍射传输问题的求解方法的实施例提供的流程示意图；

图2为本发明用于光线衍射传输问题的求解方法的其他实施例提供的计算区域网格示意图；

图3为本发明用于光线衍射传输问题的求解方法的实施例提供的虚光线传播示意图；

图4为本发明用于光线衍射传输问题的求解方法的实施例提供的原始光斑示意图；

图5为本发明用于光线衍射传输问题的求解方法的实施例提供的虚光线区域示意图；

图6为本发明用于光线衍射传输问题的求解方法的实施例提供的在晶体内传播后的光斑示意图；

图7为本发明用于光线衍射传输问题的求解系统的实施例提供的结构框架示意图

图8为单次反射的光线传播示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实施例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

对于沿直线传输的光场衍射计算，可以直接使用快速傅里叶变换加传播子的方法，对于包含光束反射过程的衍射传输，现有方法难以直接适用。

如图8所示，提供了一种示例性的单次反射的光线传播示意图，仍然按现有方法垂直于初始光线构造计算区域网格。对于主光线，他在实空间内，可以进行追迹光线、反射等等操作，但是对于一开始就处于虚空间的光线，则需要进一步处理。

对于单次镜面反射，可以采用等效虚光源的方法，将计算区域网格先投影到虚光源处，然后再按直线传输计算。但是，对于多次反射的情况，这种方法将非常繁琐。仅仅是两平面镜反射的情况，就无法用简单的算法描述这个过程。针对某些特殊情况，例如完全平行的一组平面反射镜，尚且可以用镜像传输空间的办法，将光线传输的空间在两个镜面间不断镜像，从而只需计算虚线传输的光场即可，但是对于不完全平行的情况，这种办法也失效了。

为了解决含有任意多镜面反射的衍射传输问题，本发明提供了一种解决方法，具体说明如下。

如图1所示，为本发明用于光线衍射传输问题的求解方法的实施例提供的流程示意图，该求解方法用于光线衍射传输问题，尤其适用于包含反射过程的光线衍射传输问题，包括：

S1，构建计算区域网格。

应理解，可以认为计算区域网格的点相当于发出光线，主光线可以认为是计算区域网格的中心点发出的光线，主光线就是波阵面的法线方向。每次主光线在介质面反射、折射，都带来波阵面变化。而边缘的波阵面在晶体内传播时的行为相当于反射的波阵面在传播，这种行为，与水面的水波遇到光滑平整的河岸时的传播行为一致。

此时的光斑如图4所示，图4中的网格为计算区域网格。

S2，对计算区域网格内的主光线进行追迹，将主光线穿过的晶体的第一个分界面扩展为无限大平面。

应理解，可以使用现有的软件和系统实现对光线的追迹，也可以使用原创的程序对光线进行追迹。例如，可以使用TracePro，ZEMAX等商业软件。

如图3所示，提供了一种示例性的追迹结果，计算区域网格相当于发出主光线和旁轴光线，主光线在接触到晶体后，射入晶体内部，在晶体内部进行反射，旁轴光线在真实空间内并未进入晶体，此时，可以生成旁轴光线的虚光线，虚光线在晶体内遵循与主光线相同的物理传播规律进行传播。

S3，对计算区域网格内的其他光线进行追迹，确定其他光线与无限大平面的交点。

S4，根据交点判断其他光线与主光线是否同侧，如果不同侧，则生成其他光线的虚光线，虚光线为假定在晶体内传播的虚拟光线，与主光线遵循相同的物理传播规律。

此时，光斑图如图4所示，虚光线区域没有光斑，光斑集中在晶体区域，光斑传播至虚光线区域后，光斑图如图5所示。

需要说明的是，在应用计算区域网格时，边缘网格的点相当于发出旁轴光线，这些光线是边缘波阵面的法线，因此，当边缘波阵面没有碰到晶体时，仍然按直线传播，当边缘波阵面碰到入射面的延伸面时，相当于发生了折射+镜像效果，虽然，此时边缘波阵面仍然在自由空间传播，这种行为没有物理意义，仅有计算意义。因为，物理上的波阵面只有在碰到晶体界面时才会发生折射。而边缘区域的波阵面永远不会碰到真实晶体的界面。但是，随着主波阵面的传播，衍射行为将发生。此时，需要边缘波阵面出现在主光线旁边，就如在自由空间一样。因此，可以称之为虚光线。虚光线进入真实晶体之后，才具有物理意义，可以获得虚光线所处位置的增益、损耗等物理特性，从而对射传输问题进行求解。

应理解，虚光线只有在与真实晶体交叠的地方才有物理意义，需要考虑放大、吸收过程。虚光线在真实晶体以外的地方，只需要传播，没有放大过程。

S5，根据主光线和虚光线进行衍射传输问题的求解。

将光线的传播过程都限制在晶体内后，就可以使用现有的快速傅里叶变换加传播子的方法进行衍射传输问题的求解。

本实施例通过对未进入晶体的光线进行处理，生成虚光线，假设虚光线在晶体内传播，由于虚光线的传播遵从物理规律，与主光线相同，因此可以复用光线追迹的程序，而每条虚光线都代表计算区域网格上的一个点，因此，虚光线所处的物理信息可以直接加载在计算区域网格上，进而直接使用直接衍射传输的算法，不需要改动原有算法，具有实现简单的优点，并且本方案不受界面是否平行的影响，可以用于任意形状的平面反射的衍射传输计算过程，具有实用性强的优点，解决了光线在不平行平面内传播的过程中，传统的光场衍射传输求解方法无法适用的问题。

可选地，在一些可能的实施方式中，根据交点判断其他光线与主光线是否同侧，具体包括：

判断第一交点与第二交点之间是否存在晶体的表面，如果存在，则其他光线与主光线同侧，如果不存在，则其他光线与主光线不同侧，其中，第一交点为主光线与晶体的第一个分界面的交点，第二交点为其他光线与晶体的无限大平面的交点。

例如，如图3所示，旁轴光线与主轴光线之间存在平面M，则可以认为该旁轴光线与主轴光线不同侧。

可选地，在一些可能的实施方式中，生成其他光线的虚光线，具体包括：

以第一交点与第二交点之间存在的晶体的表面为中心，对其他光线作镜像处理，得到虚光线。

可选地，在一些可能的实施方式中，还包括：

如果其他光线与主光线同侧，则不对其他光线进行镜像处理。

可以理解，在一些实施例中，可以包含如上述各实施方式中的部分或全部。

如图7所示，为本发明用于光线衍射传输问题的求解系统的实施例提供的结构框架示意图，该求解系统用于光线衍射传输问题，尤其适用于包含反射过程的光线衍射传输问题，包括：

计算区域构建单元1，用于构建计算区域网格；

追迹单元2，用于对计算区域网格内的主光线进行追迹，将主光线穿过的晶体的第一个分界面扩展为无限大平面；对计算区域网格内的其他光线进行追迹，确定其他光线与无限大平面的交点；

虚光线处理单元3，用于根据交点判断其他光线与主光线是否同侧，如果不同侧，则生成其他光线的虚光线，虚光线为假定在晶体内传播的虚拟光线，与主光线遵循相同的物理传播规律；

计算单元4，用于根据主光线和虚光线进行衍射传输问题的求解。

可选地，在一些可能的实施方式中，虚光线处理单元3具体用于判断第一交点与第二交点之间是否存在晶体的表面，如果存在，则其他光线与主光线同侧，如果不存在，则其他光线与主光线不同侧，其中，第一交点为主光线与晶体的第一个分界面的交点，第二交点为其他光线与晶体的无限大平面的交点。

可选地，在一些可能的实施方式中，虚光线处理单元3具体用于以第一交点与第二交点之间存在的晶体的表面为中心，对其他光线作镜像处理，得到虚光线。

可选地，在一些可能的实施方式中，虚光线处理单元3还用于当其他光线与主光线同侧时，不对其他光线进行镜像处理。

需要说明的是，上述各实施方式是与在先方法实施例对应的产品实施例，对于产品实施方式的说明可以参考上述各方法实施方式中的对应说明，在此不再赘述。

在本发明的其他实施例中还提供一种存储介质，该存储介质中存储有指令，当计算机读取指令时，使计算机执行如上述任意实施方式公开的用于光线衍射传输问题的求解方法。

在本发明的其他实施例中还提供一种用于光线衍射传输问题的求解装置，包括：

存储器，用于存储计算机程序；

处理器，用于执行计算机程序，实现如上述任意实施方式公开的用于光线衍射传输问题的求解方法。

读者应理解，在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的方法实施例仅仅是示意性的，例如，步骤的划分，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，例如多个步骤可以结合或者可以集成到另一个步骤，或一些特征可以忽略，或不执行。

上述方法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取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分，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(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，RandomAccessMemory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明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发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims

1.一种用于光线衍射传输问题的求解方法，其特征在于，包括：

构建计算区域网格；

根据所述主光线和虚光线进行衍射传输问题的求解。

2.根据权利要求1所述的用于光线衍射传输问题的求解方法，其特征在于，根据所述交点判断所述其他光线与所述主光线是否同侧，具体包括：

判断第一交点与第二交点之间是否存在所述晶体的表面，如果存在，则所述其他光线与所述主光线同侧，如果不存在，则所述其他光线与所述主光线不同侧，其中，所述第一交点为所述主光线与所述晶体的第一个分界面的交点，所述第二交点为所述其他光线与所述晶体的无限大平面的交点。

3.根据权利要求2所述的用于光线衍射传输问题的求解方法，其特征在于，生成所述其他光线的虚光线，具体包括：

以所述第一交点与所述第二交点之间存在的所述晶体的表面为中心，对所述其他光线作镜像处理，得到虚光线。

4.根据权利要求3所述的用于光线衍射传输问题的求解方法，其特征在于，还包括：

如果所述其他光线与所述主光线同侧，则不对所述其他光线进行镜像处理。

5.一种用于光线衍射传输问题的求解系统，其特征在于，包括：

计算区域构建单元，用于构建计算区域网格；

6.根据权利要求5所述的用于光线衍射传输问题的求解系统，其特征在于，所述虚光线处理单元具体用于判断第一交点与第二交点之间是否存在所述晶体的表面，如果存在，则所述其他光线与所述主光线同侧，如果不存在，则所述其他光线与所述主光线不同侧，其中，所述第一交点为所述主光线与所述晶体的第一个分界面的交点，所述第二交点为所述其他光线与所述晶体的无限大平面的交点。

7.根据权利要求6所述的用于光线衍射传输问题的求解系统，其特征在于，所述虚光线处理单元具体用于以所述第一交点与所述第二交点之间存在的所述晶体的表面为中心，对所述其他光线作镜像处理，得到虚光线。

8.根据权利要求7所述的用于光线衍射传输问题的求解系统，其特征在于，所述虚光线处理单元还用于当所述其他光线与所述主光线同侧时，不对所述其他光线进行镜像处理。

9.一种存储介质，其特征在于，所述存储介质中存储有指令，当计算机读取所述指令时，使所述计算机执行如权利要求1至4中任一项所述的用于光线衍射传输问题的求解方法。

10.一种用于光线衍射传输问题的求解装置，其特征在于，包括：

存储器，用于存储计算机程序；

处理器，用于执行所述计算机程序，实现如权利要求1至4中任一项所述的用于光线衍射传输问题的求解方法。