CN113970844A - 一种自由曲面基底多层衍射元件的优化设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种自由曲面基底多层衍射元件的优化设计方法，涉及光学技术领域。该自由曲面基底多层衍射元件的优化设计方法通过基于预置的自由曲面多层衍射元件结构建立对应的光路传输模型，然后根据对应的光路传输模型分析推导得出综合积分平均衍射效率计算公式，最后根据综合积分平均衍射效率计算公式对预置的自由曲面多层衍射元件结构的初始有效微结构高度进行优化计算，得到优化的有效微结构高度数值。能够改善基于传统标量衍射理论的计算不准确性，实现多层衍射光学元件的严格设计和衍射效率的准确分析，并且提高一般入射下任意基底宽波段多层衍射光学元件的衍射效率。
Description
技术领域
本发明涉及光学技术领域，具体而言，涉及一种自由曲面基底多层衍射元件的优化设计方法。
背景技术
在现有技术中，对于成像系统中的衍射光学元件的设计和分析，是基于传统标量衍射理论的，并且是基于平面基底进行的，且含有衍射光学元件的折衍混合成像光学系统的实际成像质量采用光学系统光学传递函数与衍射光学元件的带宽积分平均衍射效率的乘积进行预测和分析。因此，对折衍混合成像光学系统的设计和像质评价分为两部分：第一，采用光学设计软件如ZEMAX完成对成像光学系统的优化设计和像质分析；第二，采用数学计算、分析软件如MATLAB完成对应衍射光学元件的设计和衍射效率的计算，并最终计算和分析混合成像光学系统的实际像质。
然而，传统多层衍射光学元件是以平面基底为研究对象的，光线经过光学系统基底入射至衍射光学元件的入射角度是固定数值，并且传统带宽积分平均衍射效率并没有考虑入射角度对衍射效率的影响，在于垂直入射下多层衍射光学元件的优化设计问题，以实现多层衍射光学元件的带宽积分平均衍射效率最大化，研究理论不准确，研究对象不具有普遍意义。传统多层衍射光学元件设计和分析理论和模型都有很大的局限性，会造成对衍射效率的计算和评估不准，最终导致对实际像质评价的不准确。
发明内容
本发明的目的在于提供一种自由曲面基底多层衍射元件的优化设计方法，用以改善现有技术中多层衍射光学元件设计和分析理论和模型都有很大的局限性，会造成对衍射效率的计算和评估不准，最终导致对实际像质评价的不准确的问题。
第一方面，本申请实施例提供一种自由曲面基底多层衍射元件的优化设计方法，其包括以下步骤：
基于预置的自由曲面多层衍射元件结构建立对应的光路传输模型；
根据对应的光路传输模型分析推导得出综合积分平均衍射效率计算公式；
根据综合积分平均衍射效率计算公式对预置的自由曲面多层衍射元件结构的初始有效微结构高度进行优化计算，得到优化的有效微结构高度数值。
上述实现过程中，通过设置预置的自由曲面多层衍射元件结构，多层衍射光学元件基底为自由曲面基底，透镜表面上任意一点的矢高是不同的，因此，当光线入射至该位置时对应的折射角是不同的，最终会导致入射至第一层多层衍射光学元件的角度也是不同的，从而使得建立对应的光路传输模型更加准确，进一步根据对应的光路传输模型分析推导得出综合积分平均衍射效率计算公式也更加准确，从而提高一般入射下任意基底宽波段多层衍射光学元件的衍射效率，根据综合积分平均衍射效率计算公式对预置的自由曲面多层衍射元件结构的初始有效微结构高度进行优化计算，得到优化的有效微结构高度数值，根据得到的优化的有效微结构高度数值对预置的自由曲面多层衍射元件结构进行调整，从而得到更加精准的多层衍射光学元件，从而实现更加小型化、轻量化成像光学系统的设计。
基于第一方面，在本发明的一些实施例中，上述基于预置的自由曲面多层衍射元件结构建立对应的光路传输模型的步骤包括以下步骤：
采用光线追迹的方法对穿过预置的自由曲面多层衍射元件结构的光线进行追迹，得到对应的光路传输模型。
基于第一方面，在本发明的一些实施例中，上述根据对应的光路传输模型分析推导得出综合积分平均衍射效率计算公式的步骤包括以下步骤：
根据对应的光路传输模型利用光程差与附加相位的关系式进行分析，建立光线穿过预置的自由曲面多层衍射元件结构的相位延迟表达式；
根据相位延迟表达式建立多层衍射光学元件的综合带宽积分平均衍射效率计算公式。
基于第一方面，在本发明的一些实施例中，上述根据光路传输模型利用光程差与附加相位的关系进行分析，建立光线穿过预置的自由曲面多层衍射元件结构的相位延迟表达式的步骤包括以下步骤：
根据光路传输模型分析计算得到入射至预置的自由曲面多层衍射元件结构中第一层衍射光学元件而不发生全反射时对应的光学系统入射角度；
根据光学系统入射角度确定入射至预置的自由曲面多层衍射元件结构中第一层衍射光学元件的入射角度范围；
根据入射至第一层衍射光学元件的入射角度范围利用光程差与附加相位的关系分析得到光线穿过预置的自由曲面多层衍射元件结构的相位延迟表达式。
基于第一方面，在本发明的一些实施例中，上述入射至预置的自由曲面多层衍射元件结构中第一层衍射光学元件而不发生全反射时对应的光学系统入射角度为：
其中，n0为入射介质折射率，n1为多层衍射光学元件第一层基底所在介质折射率，θ0为光线入射至自由曲面表面的入射角度，α为入射至预置的自由曲面多层衍射元件结构中第一层衍射光学元件而不发生全反射时对应的光学系统入射角度。
基于第一方面，在本发明的一些实施例中，上述光线传输经多层衍射光学元件产生的相位延迟表达式为：
其中，φ(λ,α)为入射波长λ在入射角度α下产生的相位延迟，α为入射至预置的自由曲面多层衍射元件结构中第一层衍射光学元件而不发生全反射时对应的光学系统入射角度，h1和h2为多层衍射光学元件的优化微结构高度；n1和n2为双层衍射元件所在基底的折射率，nm为中间介质层折射率；
其中，h1和h2的数学表达式为：
其中，H1和H2是基于传统标量衍射理论计算的多层衍射元件的第一层和第二层微结构高度，T为衍射光学元件周期宽度，对于多层衍射光学元件，此数值对两层衍射光学元件，D为多层衍射元件微结构之间距离；θ1为入射至第一层衍射结构基底的入射角度。
基于第一方面，在本发明的一些实施例中，上述多层衍射光学元件的综合带宽积分平均衍射效率计算公式为：
其中，
代表入射波长、入射角度和入射微结构周期宽度对应下产生的综合积分衍射效率；λmax和λmin分别为光学系统的最大和最小入射波长，αmax和αmin分别为入射至自由曲面多层衍射元件结构中第一层衍射光学元件而不发生全反射时对应的光学系统入射角度的最大和最小值。
基于第一方面，在本发明的一些实施例中，上述根据综合积分平均衍射效率计算公式对预置的自由曲面多层衍射元件结构的初始有效微结构高度进行优化计算，得到优化的有效微结构高度数值的步骤包括以下步骤：
根据多层衍射光学元件的综合带宽积分平均衍射效率计算公式计算得到整个波段和入射角度范围内的最大的综合积分衍射效率；
提取最大的综合积分衍射效率对应的设计波长；
将对应的设计波长带入公式
得到多层衍射元件的优化的有效微结构高度数值。
基于第一方面，在本发明的一些实施例中，上述预置的自由曲面多层衍射元件结构包括两层基底材料，两层上述基底材料之间填充有中间介质层，上述中间介质层为光学液体材料、液晶材料、光学塑料中的任意一种。
第二方面，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，该计算机程序被处理器执行时实现如上述第一方面中任一项上述的方法。
本发明实施例至少具有如下优点或有益效果：
本发明实施例提供一种自由曲面基底多层衍射元件的优化设计方法，通过设置预置的自由曲面多层衍射元件结构，多层衍射光学元件基底为自由曲面基底，透镜表面上任意一点的矢高是不同的，因此，当光线入射至该位置时对应的折射角是不同的，最终会导致入射至第一层多层衍射光学元件的角度也是不同的，从而使得建立对应的光路传输模型更加准确，进一步根据对应的光路传输模型分析推导得出综合积分平均衍射效率计算公式也更加准确，从而提高一般入射下任意基底宽波段多层衍射光学元件的衍射效率，根据综合积分平均衍射效率计算公式对预置的自由曲面多层衍射元件结构的初始有效微结构高度进行优化计算，得到优化的有效微结构高度数值，根据得到的优化的有效微结构高度数值对预置的自由曲面多层衍射元件结构进行调整，从而得到更加精准的多层衍射光学元件，从而实现更加小型化、轻量化成像光学系统的设计。通过在两层上述基底材料之间填充中间介质层，中间介质层为光学液体材料、液晶材料、光学塑料中的任意一种，由于介质层材料的不同可以扩展波段和入射角度，实现较高的衍射效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明实施例提供的一种自由曲面基底多层衍射元件的优化设计方法的流程图；
图2为本发明实施例提供的多层衍射光学元件结构的光线传输模型结构图；
图3为本发明实施例提供的预置的自由曲面多层衍射元件结构的示意图；
图4为本发明实施例提供的采用该优化设计方法对该类多层衍射光学元件设计波长进行选取的三维图；
图5为采用本发明之优化设计方法下对应的多层衍射光学元件表面微结构高度分布图；
图6为本发明实施例提供的一种电子设备的结构框图。
图标：101-存储器；102-处理器；103-通信接口。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，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。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动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。
实施例
下面结合附图，对本申请的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的各个实施例及实施例中的各个特征可以相互组合。
请参看图1，图1为本发明实施例提供的一种自由曲面基底多层衍射元件的优化设计方法的流程图。该自由曲面基底多层衍射元件的优化设计方法，包括以下步骤：
步骤S110：基于预置的自由曲面多层衍射元件结构建立对应的光路传输模型；上述建立对应的光路传输模型主要是采用以下方式：
请参看图2，图2为本发明实施例提供的多层衍射光学元件结构的光线传输模型结构图。采用光线追迹的方法对穿过预置的自由曲面多层衍射元件结构的光线进行追迹，得到对应的光路传输模型。上述光线追迹的方法是几何光学中的光线追迹方法，通过跟踪与预置的自由曲面多层衍射元件结构表面发生交互作用的光线从而得到光线经过路径的模型，这个模型就是对应的光路传输模型。
步骤S120：根据对应的光路传输模型分析推导得出综合积分平均衍射效率计算公式；上述分析推导得出综合积分平均衍射效率计算公式包括以下步骤：
首先，根据对应的光路传输模型利用光程差与附加相位的关系式进行分析，建立光线穿过预置的自由曲面多层衍射元件结构的相位延迟表达式；上述分析建立光线穿过预置的自由曲面多层衍射元件结构的相位延迟表达式分为以下三步：
第一步，根据光路传输模型分析计算得到入射至预置的自由曲面多层衍射元件结构中第一层衍射光学元件而不发生全反射时对应的光学系统入射角度；根据光路传输模型得到的入射至预置的自由曲面多层衍射元件结构中第一层衍射光学元件而不发生全反射时对应的光学系统入射角度为：
其中，n0为入射介质折射率，n1为多层衍射光学元件第一层基底所在介质折射率，θ0为光线入射至自由曲面表面的入射角度，α为入射至预置的自由曲面多层衍射元件结构中第一层衍射光学元件而不发生全反射时对应的光学系统入射角度。
第二步，根据光学系统入射角度确定入射至预置的自由曲面多层衍射元件结构中第一层衍射光学元件的入射角度范围；首先，给定多层衍射光学元件的自由曲面面型方程，特别是第一层衍射光学元件基底面型，以Zernike多项式面型为例，面型表达式为：
其中，c为曲面轴上曲率半径，k为圆锥系数，r为半口径大小，r2＝x2+y2，
为多项式，Ai为系数，可展开为：
Zeinike多项式的项数
在利用Zernike多项式表征的自由曲面进行光学系统设计时，其优势在于一般的光学系统具有圆形孔径，而Zernike多项式具有在单位圆内正交的特点，它的正交性使得其系数相互独立，在优化时互不干扰，并且Zernike多项式中的各项可表示像差特性，他们之间有对应关系，有利于控制像差消除。
上述入射角度范围的确定首先是假定光学系统为旋转对称式结构，根据菲涅尔定律
可以确定光学系统入射至第一层衍射光学元件基底的入射角度范围，可以表示为：0≤θ≤α，其中α为入射至预置的自由曲面多层衍射元件结构中第一层衍射光学元件而不发生全反射时对应的光学系统入射角度，θ0为入射至预置的自由曲面多层衍射元件结构中第一层衍射光学元件的入射角度。
第三步，根据入射至第一层衍射光学元件的入射角度范围利用光程差与附加相位的关系分析得到光线穿过预置的自由曲面多层衍射元件结构的相位延迟表达式。考虑到多层衍射光学元件基底为自由曲面基底，透镜表面上任意一点的矢高是不同的，因此，当光线入射至该位置时对应的折射角是不同的，最终会导致入射至第一层多层衍射光学元件的角度也是不同的，传统的标量衍射理论和斜入射下多层衍射光学元件衍射效率分析不再适用。上述光程差与附加相位的关系式是指：2π/波长*光程差＝附加相位。得到的光线传输经多层衍射光学元件产生的相位延迟表达式可以表示为：
其中，φ(λ,α)为入射波长λ在入射角度α下产生的相位延迟，α为入射至预置的自由曲面多层衍射元件结构中第一层衍射光学元件而不发生全反射时对应的光学系统入射角度，h1和h2为多层衍射光学元件的优化微结构高度；n1和n2为双层衍射元件所在基底的折射率，nm为中间介质层折射率；
其中，实际有效微结构高度与入射角度、理论微结构高度和周期宽度均有关，h1和h2的数学表达式为：
其中，H1和H2是基于传统标量衍射理论计算的多层衍射元件的第一层和第二层微结构高度，T为衍射光学元件周期宽度，对于多层衍射光学元件，此数值对两层衍射光学元件，D为多层衍射元件微结构之间距离，θ1为入射至第一层衍射结构基底的入射角度。
然后，根据相位延迟表达式建立多层衍射光学元件的综合带宽积分平均衍射效率计算公式。上述多层衍射光学元件的综合带宽积分平均衍射效率计算公式为：
其中，
代表入射波长、入射角度和入射微结构周期宽度对应下产生的综合积分衍射效率；λmax和λmin分别为光学系统的最大和最小入射波长，αmax和αmin分别为入射至自由曲面多层衍射元件结构中第一层衍射光学元件而不发生全反射时对应的光学系统入射角度的最大和最小值。
步骤S130：根据综合积分平均衍射效率计算公式对预置的自由曲面多层衍射元件结构的初始有效微结构高度进行优化计算，得到优化的有效微结构高度数值。上述优化计算是指：
首先，根据多层衍射光学元件的综合带宽积分平均衍射效率计算公式计算得到整个波段和入射角度范围内的最大的综合积分衍射效率；上述计算得到整个波段和入射角度范围内的最大的综合积分衍射效率可以是先计算出各个波段和入射角度范围内的综合积分衍射效率，然后在得到的这些波段和入射角度范围内的综合积分衍射效率中筛选出最大的综合积分衍射效率。
然后，提取最大的综合积分衍射效率对应的设计波长；上述得到的最大的综合积分衍射效率对应有一个波长，这个波长就是对应的设计波长。
最后，将对应的设计波长带入公式
得到多层衍射元件的优化的有效微结构高度数值。带入上述公式
后，表达式为：
根据上述表达式可以反解出多层衍射元件的优化的有效微结构高度数值h1-opt和h2-opt上述反解过程较为复杂，可通过编程实现。
例如：采用波段范围为0.4～0.7μm的可见光，预置的自由曲面多层衍射元件结构的基底材料分别为PMMA和PC，自由曲面基底面型为Zernike多项式面型。
当采用传统标量衍射理论时候，得到的多层衍射光学元件设计波长为0.435μm和0.598μm，衍射微结构高度分别为16.460μm和12.813μm，当采用本发明的方法，假定光学系统入射至多层衍射元件基底的入射角度范围为0°～15°时，对该多层衍射光学元件进行设计和结构参数的计算，结果如图4所示，可以看出选取的优化设计波长对为0.440μm和0.560μm，根据计算可以得到多层衍射微结构高度，设计结果如图5所示。
上述实现过程中，通过设置预置的自由曲面多层衍射元件结构，多层衍射光学元件基底为自由曲面基底，透镜表面上任意一点的矢高是不同的，因此，当光线入射至该位置时对应的折射角是不同的，最终会导致入射至第一层多层衍射光学元件的角度也是不同的，从而使得建立对应的光路传输模型更加准确，进一步根据对应的光路传输模型分析推导得出综合积分平均衍射效率计算公式也更加准确，从而提高一般入射下任意基底宽波段多层衍射光学元件的衍射效率，根据综合积分平均衍射效率计算公式对预置的自由曲面多层衍射元件结构的初始有效微结构高度进行优化计算，得到优化的有效微结构高度数值，根据得到的优化的有效微结构高度数值对预置的自由曲面多层衍射元件结构进行调整，从而得到更加精准的多层衍射光学元件，从而实现更加小型化、轻量化成像光学系统的设计。
请参看图3，图3为本发明实施例提供的预置的自由曲面多层衍射元件结构的示意图。其中，上述预置的自由曲面多层衍射元件结构包括两层基底材料，两层上述基底材料之间填充有中间介质层，上述中间介质层为光学液体材料、液晶材料、光学塑料中的任意一种。两层上述基底材料为曲面结构，构成自由曲面多层衍射元件结构。
上述实现过程中，通过在两层上述基底材料之间填充中间介质层，中间介质层为光学液体材料、液晶材料、光学塑料中的任意一种，由于介质层材料的不同可以扩展波段和入射角度，实现较高的衍射效率。
请参阅图6，图6为本申请实施例提供的电子设备的一种示意性结构框图。上述电子设备包括存储器101、处理器102和通信接口103，该存储器101、处理器102和通信接口103相互之间直接或间接地电性连接，以实现数据的传输或交互。例如，这些元件相互之间可通过一条或多条通讯总线或信号线实现电性连接。存储器101可用于存储软件程序及模块，处理器102通过执行存储在存储器101内的软件程序及模块，从而执行各种功能应用以及数据处理。该通信接口103可用于与其他节点设备进行信令或数据的通信。
其中，存储器101可以是但不限于，随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)，只读存储器(Read Only Memory，ROM)，可编程只读存储器(Programmable Read-OnlyMemory，PROM)，可擦除只读存储器(Erasable Programmable Read-Only Memory，EPROM)，电可擦除只读存储器(Electric Erasable Programmable Read-Only Memory，EEPROM)等。
处理器102可以是一种集成电路芯片，具有信号处理能力。该处理器102可以是通用处理器，包括中央处理器(Central Processing Unit，CPU)、网络处理器(NetworkProcessor，NP)等；还可以是数字信号处理器(Digital Signal Processing，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现场可编程门阵列(Field－Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。
可以理解，图6所示的结构仅为示意，电子设备还可包括比图6中所示更多或者更少的组件，或者具有与图6所示不同的配置。图6中所示的各组件可以采用硬件、软件或其组合实现。
在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，也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，附图中的流程图和框图显示了根据本申请的多个实施例的装置、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，上述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
另外，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。
上述功能如果以软件功能模块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，本申请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)执行本申请各个实施例上述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-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
综上，本申请实施例提供的一种自由曲面基底多层衍射元件的优化设计方法，该自由曲面基底多层衍射元件的优化设计方法通过设置预置的自由曲面多层衍射元件结构，多层衍射光学元件基底为自由曲面基底，透镜表面上任意一点的矢高是不同的，因此，当光线入射至该位置时对应的折射角是不同的，最终会导致入射至第一层多层衍射光学元件的角度也是不同的，从而使得建立对应的光路传输模型更加准确，进一步根据对应的光路传输模型分析推导得出综合积分平均衍射效率计算公式也更加准确，从而提高一般入射下任意基底宽波段多层衍射光学元件的衍射效率，根据综合积分平均衍射效率计算公式对预置的自由曲面多层衍射元件结构的初始有效微结构高度进行优化计算，得到优化的有效微结构高度数值，根据得到的优化的有效微结构高度数值对预置的自由曲面多层衍射元件结构进行调整，从而得到更加精准的多层衍射光学元件，从而实现更加小型化、轻量化成像光学系统的设计。
以上仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，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。
对于本领域技术人员而言，显然本申请不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本申请的精神或基本特征的情况下，能够以其它的具体形式实现本申请。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本申请的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本申请内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
Claims (10)
1.一种自由曲面基底多层衍射元件的优化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
基于预置的自由曲面多层衍射元件结构建立对应的光路传输模型；
根据对应的光路传输模型分析推导得出综合积分平均衍射效率计算公式；
根据综合积分平均衍射效率计算公式对预置的自由曲面多层衍射元件结构的初始有效微结构高度进行优化计算，得到优化的有效微结构高度数值。
2.根据权利要求1所述的自由曲面基底多层衍射元件的优化设计方法，其特征在于，所述基于预置的自由曲面多层衍射元件结构建立对应的光路传输模型的步骤包括以下步骤：
采用光线追迹的方法对穿过预置的自由曲面多层衍射元件结构的光线进行追迹，得到对应的光路传输模型。
3.根据权利要求1所述的自由曲面基底多层衍射元件的优化设计方法，其特征在于，所述根据对应的光路传输模型分析推导得出综合积分平均衍射效率计算公式的步骤包括以下步骤：
根据对应的光路传输模型利用光程差与附加相位的关系式进行分析，建立光线穿过预置的自由曲面多层衍射元件结构的相位延迟表达式；
根据相位延迟表达式建立多层衍射光学元件的综合带宽积分平均衍射效率计算公式。
4.根据权利要求3所述的自由曲面基底多层衍射元件的优化设计方法，其特征在于，所述根据光路传输模型利用光程差与附加相位的关系进行分析，建立光线穿过预置的自由曲面多层衍射元件结构的相位延迟表达式的步骤包括以下步骤：
根据光路传输模型分析计算得到入射至预置的自由曲面多层衍射元件结构中第一层衍射光学元件而不发生全反射时对应的光学系统入射角度；
根据光学系统入射角度确定入射至预置的自由曲面多层衍射元件结构中第一层衍射光学元件的入射角度范围；
根据入射至第一层衍射光学元件的入射角度范围利用光程差与附加相位的关系分析得到光线穿过预置的自由曲面多层衍射元件结构的相位延迟表达式。
5.根据权利要求4所述的自由曲面基底多层衍射元件的优化设计方法，其特征在于，所述入射至预置的自由曲面多层衍射元件结构中第一层衍射光学元件而不发生全反射时对应的光学系统入射角度为：
其中，n0为入射介质折射率，n1为多层衍射光学元件第一层基底所在介质折射率，θ0为光线入射至自由曲面表面的入射角度，α为入射至预置的自由曲面多层衍射元件结构中第一层衍射光学元件而不发生全反射时对应的光学系统入射角度。
6.根据权利要求5所述的自由曲面基底多层衍射元件的优化设计方法，其特征在于，所述光线传输经多层衍射光学元件产生的相位延迟表达式为：
其中，φ(λ,α)为入射波长λ在入射角度α下产生的相位延迟，α为入射至预置的自由曲面多层衍射元件结构中第一层衍射光学元件而不发生全反射时对应的光学系统入射角度，h1和h2为多层衍射光学元件的优化微结构高度；n1和n2为双层衍射元件所在基底的折射率，nm为中间介质层折射率；
其中，h1和h2的数学表达式为：
其中，H1和H2是基于传统标量衍射理论计算的多层衍射元件的第一层和第二层微结构高度，T为衍射光学元件周期宽度，对于多层衍射光学元件，此数值对两层衍射光学元件，D为多层衍射元件微结构之间距离；θ1为入射至第一层衍射结构基底的入射角度。
7.根据权利要求6所述的自由曲面基底多层衍射元件的优化设计方法，其特征在于，所述多层衍射光学元件的综合带宽积分平均衍射效率计算公式为：
其中，
代表入射波长、入射角度和入射微结构周期宽度对应下产生的综合积分衍射效率；λmax和λmin分别为光学系统的最大和最小入射波长，αmax和αmin分别为入射至自由曲面多层衍射元件结构中第一层衍射光学元件而不发生全反射时对应的光学系统入射角度的最大和最小值。
8.根据权利要求7所述的自由曲面基底多层衍射元件的优化设计方法，其特征在于，所述根据综合积分平均衍射效率计算公式对预置的自由曲面多层衍射元件结构的初始有效微结构高度进行优化计算，得到优化的有效微结构高度数值的步骤包括以下步骤：
根据多层衍射光学元件的综合带宽积分平均衍射效率计算公式计算得到整个波段和入射角度范围内的最大的综合积分衍射效率；
提取最大的综合积分衍射效率对应的设计波长；
将对应的设计波长带入公式
得到多层衍射元件的优化的有效微结构高度数值。
9.根据权利要求1所述的自由曲面基底多层衍射元件的优化设计方法，其特征在于，所述预置的自由曲面多层衍射元件结构包括两层基底材料，两层所述基底材料之间填充有中间介质层，所述中间介质层为光学液体材料、液晶材料、光学塑料中的任意一种。
10.一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，该计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-9中任一项所述的方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111278315.9A CN113970844A (zh) | 2021-10-30 | 2021-10-30 | 一种自由曲面基底多层衍射元件的优化设计方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111278315.9A CN113970844A (zh) | 2021-10-30 | 2021-10-30 | 一种自由曲面基底多层衍射元件的优化设计方法 |
Publications (1)
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|---|---|---|---|
| CN202111278315.9A Pending CN113970844A (zh) | 2021-10-30 | 2021-10-30 | 一种自由曲面基底多层衍射元件的优化设计方法 |
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- 2021-10-30 CN CN202111278315.9A patent/CN113970844A/zh active Pending
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