一种用于衍射光学元件设计的方法和系统技术方案

本发明专利技术提供一种用于衍射光学元件设计的方法和系统。该方法包括：对于温度范围内的温度t下的光学衍射元件的相位分布i进行随机扰动，产生数量为n的粒子群；在温度t下，对于粒子群中的每个粒子，通过比较其衍射图案复振幅分布和目标图案复振幅分布来计算该粒子的适应度，并进行粒子群进化获得全局最佳的适应度和对应的光学衍射元件的相位分布全局最优解j

A method and system for designing diffractive optical elements

【技术实现步骤摘要】
一种用于衍射光学元件设计的方法和系统
本专利技术涉及光学设计
，尤其涉及一种用于衍射光学元件设计的方法和系统。
技术介绍
DOE(衍射光学元件)元件是一种透射式的光相位调制器件，通过改变DOE面的相位分布(即DOE的阶梯状面形)可以得到任意形状的衍射场图案。DOE的设计原理是菲涅尔衍射积分公式，利用其傅里叶变化形式(参见下文公式3)无法在已知U0(x1,y1)和Ux(x,y)的情况下解出P(x1,y1)的解析式，所以设计有效的数值算法是必需的。现在常用的DOE设计算法有迭代型的GS算法和搜索型的模拟退火算法及粒子群算法等。GS算法的特点是迭代过程收敛快，算法实现容易，但是容易陷入局部最优解；模拟退火算法则可以有效的跳出局部最优解，但是其退火过程比较漫长，算法的时间消耗比较大；粒子群算法的收敛速度快和搜索范围较广，然而还是有可能陷入局部最优解。因此，需要对现有技术进行改进，提供收敛速度和搜索结果都比较好的衍射光学元件设计方法。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述现有技术的缺陷，提供一种用于衍射光学元件设计的方法和系统，通过将退火算法和粒子群算法相结合来设计衍射光学元件。根据本专利技术的第一方面，提供一种用于光学衍射元件设计的方法。该方法包括以下步骤：步骤S1：对于温度范围内的温度t下的光学衍射元件的相位分布i进行随机扰动，产生数量为n的粒子群；步骤S2：在温度t下，对于粒子群中的每个粒子，通过比较其衍射图案复振幅分布和目标图案复振幅分布来计算该粒子的适应度，并进行粒子群进化获得全局最佳的适应度和对应的光学衍射元件的相位分布全局最优解jk；步骤S3：对于温度t下的相位分布全局最优解jk，通过随机扰动获得对应的相位分布jm，比较jk和jm对应的衍射图案复振幅分布和目标复振幅分布，获得该温度t下的光学衍射元件的相位分布优化解。在一个实施例中，步骤S1包括：设置光学衍射元件在温度t下的初始相位分布解i＝P(x1，y1)；在该温度t下，对相位分布i进行随机的n次扰动，获得相位分布in＝户(x1，y1)+6(x1，y1)，其中δ(x1，y1)是随机扰动因子，取值范围是-π～π，x1和y1分别表示光学衍射元件平面内两个垂直方向坐标。在一个实施例中，粒子群进化公式表示为：Vn(m+1)＝ωVn(m)+C1×φ1×(Pni-Xn(m))+C2×φ2×(Png-Xn(m))Xn(m+1)＝Xn(m)+Vn(m+1)其中，m和m+1表示粒子群进化了一代，Vn表示每个粒子的速度，Xn表示每个粒子的位置，ω、C1、C2表示权重参数，φ1和φ2表示随机数取值为0～1，Pni表示对每个粒子个体而言其搜索到的个体最好的光学衍射元件的相位分布，Png表示对粒子群而言搜索到的群体最好的光学衍射元件的相位分布。在一个实施例中，权重参数ω设置为0.9，C1设置为1.5，C2设置为1.8。在一个实施例中，基于以下的损失函数计算粒子的适应度：其中，Ux(x，y)是计算得到衍射图案复振幅分布，Ux，ex(x，y)是目标图案复振幅分布，x和y分别表示成像平面内的两个垂直方向坐标。在一个实施例中，步骤S3包括以下子步骤：在温度t下，随机扰动一次jk得到jm，计算并比较f(jm)和f(jk)；如果f(jm)≤f(jk)，则用jm代替i作为该温度下的相位分布优化解，否则计算接收概率Pr；若Pr≥r，则用jm来代替i，否则用jk代替i，作为该温度下的相位分布优化解；其中，r是随机数，接收概率表示为：根据本专利技术的第二方面，提供一种用于光学衍射元件设计的系统。该系统包括：粒子群产生单元：用于对于温度范围内的温度t下的光学衍射元件的相位分布i进行随机扰动，产生数量为n的粒子群；粒子群进化单元：用于在温度t下，对于粒子群中的每个粒子，通过比较其衍射图案复振幅分布和目标图案复振幅分布来计算该粒子的适应度，并进行粒子群进化获得全局最佳的适应度和对应的光学衍射元件的相位分布全局最优解jk；模拟退火单元：用于对于温度t下的相位分布全局最优解jk，通过随机扰动获得对应的相位分布jm，比较jk和jm对应的衍射图案复振幅分布和目标复振幅分布，获得该温度t下的光学衍射元件的相位分布优化解。与现有技术相比，本专利技术的优点在于：所提出的衍射光学元件设计方法在模拟退火算法里嵌入了粒子群算法，在每次退火后都进行一次全局的粒子群搜索，从而使得该方法的收敛速度快并且能够有效的跳出局部极值点。附图说明以下附图仅对本专利技术作示意性的说明和解释，并不用于限定本专利技术的范围，其中：图1是根据本专利技术一个实施例的用于衍射光学元件设计方法的流程图；图2是根据本专利技术一个实施例的用于衍射光学元件设计方法的流程图；图3是根据本专利技术一个实施例的效果验证原理图；图4是根据本专利技术一个实施例的目标衍射图案；图5是根据本专利技术一个实施例的衍射效果图；图6是现有技术中的衍射效果图。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案、设计方法及优点更加清楚明了，以下结合附图通过具体实施例对本专利技术进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。在本文示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。根据本专利技术的一个实施例，提供一种用于衍射光学元件设计的方法，简言之(在本文称为SA-PSO方法)，结合图1和图2所示，该方法包括以下步骤：步骤S110，确定初始参数和衍射光学元件设计的相关函数。例如，设置的参数包括：光源是波长为λ平面光波，DOE元件的初始相位分布解i＝P(x1，y1)，损失函数f，接收概率Pr(或表示为Pt)，随机数r，其中户(x，y)是二元离散函数，函数值的范围是-π～π，x1和y1分别表示DOE平面内两个垂直方向坐标，接收概率Pr的计算公式满足Metropolis准则，表示为：损失函数f的表达式如下其中Ux(x，y)是计算得到的衍射图案复振幅分布，Ux，ex(x，y)是目标图案复振幅分布(可预先设定)，x和y分别表示成像平面内的两个垂直方向坐标，t表示温度，jk表示通过粒子群进化获得的DOE相位分布最优解，jm表示模拟退火过程中扰动jk对应的DOE相位分布解。需说明的是，损失函数不限于公式(2)，也可采用其他形式的损失函数，例如，可分别对计算得到的衍射图案复振幅分布和目标图案复振幅分布进行加权，以调整二者在损失函数中所占比重。在该步骤S110中，初始化包括给定DOE元件的初始相位分布i＝P(x1，y1)，例如，初始相位分布i本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于光学衍射元件设计的方法，包括以下步骤：/n步骤S1：对于温度范围内的温度t下的光学衍射元件的相位分布i进行随机扰动，产生数量为n的粒子群；/n步骤S2：在温度t下，对于粒子群中的每个粒子，通过比较其衍射图案复振幅分布和目标图案复振幅分布来计算该粒子的适应度，并进行粒子群进化获得全局最佳的适应度和对应的光学衍射元件的相位分布全局最优解j

【技术特征摘要】
1.一种用于光学衍射元件设计的方法，包括以下步骤：
步骤S1：对于温度范围内的温度t下的光学衍射元件的相位分布i进行随机扰动，产生数量为n的粒子群；
步骤S2：在温度t下，对于粒子群中的每个粒子，通过比较其衍射图案复振幅分布和目标图案复振幅分布来计算该粒子的适应度，并进行粒子群进化获得全局最佳的适应度和对应的光学衍射元件的相位分布全局最优解jk；
步骤S3：对于温度t下的相位分布全局最优解jk，通过随机扰动获得对应的相位分布jm，比较jk和jm对应的衍射图案复振幅分布和目标复振幅分布，获得该温度t下的光学衍射元件的相位分布优化解。


2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S1包括：
设置光学衍射元件在温度t下的初始相位分布解i＝P(x1，y1)；
在该温度t下，对相位分布i进行随机的n次扰动，获得相位分布in＝P(x1，y1)+δ(x1，y1)，其中δ(x1，y1)是随机扰动因子，取值范围是-π～π，x1和y1分别表示光学衍射元件平面内两个垂直方向坐标。


3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，粒子群进化公式表示为：
Vn(m+1)＝ωVn(m)+C1×φ1×(Pni-Xn(m))+C2×φ2×(Png-Xn(m))
Xn(m+1)＝Xn(m)+Vn(m+1)
其中，m和m+1表示粒子群进化了一代，Vn表示每个粒子的速度，Xn表示每个粒子的位置，ω、C1、C2表示权重参数，φ1和φ2表示随机数取值为0～1，Pni表示对每个粒子个体而言其搜索到的个体最好的光学衍射元件的相位分布，Png表示对粒子群而言搜索到的群体最好的光学衍射元件的相位分布。


4.根据权利要求3所述的方...

【专利技术属性】
技术研发人员：苏萍，蔡超，宋昱铭，谭峭峰，马建设，
申请(专利权)人：清华大学深圳国际研究生院，
类型：发明
国别省市：广东;44