【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及光学设计，特别涉及一种变栅距光栅记录结构优化设计方法。
技术介绍
1、光栅是一种在光学表面具有周期性微观线条分布的光学元件，能够实现不同波长的光线在空间上的角度色散，在光谱仪中使用广泛。变栅距光栅是一种栅线间距随光栅表面空间位置而变化的特殊光栅，其间距变化的栅线分布特点能够使光栅在色散能力之外具备特定的像差校正和光束聚焦能力，实现单个元件的高分辨力光谱仪设计，在同步辐射光源、对地成像光谱遥感、生物医学成像等领域应用广泛。变栅距光栅目前主流的制作方式是通过两束非平面波干涉，通过光刻胶记录干涉条纹获得。如图1所示，常使用的记录结构包括使用两束球面波、一束球面波和一束非球面波干涉以及两束非球面波干涉三类。
2、在变栅距光栅记录结构设计优化方面，传统方法是使用光程函数理论对光栅基底表面上的栅线分布建立展开模型，通过合适的优化算法对记录参数进行优化设计。然而优于整套模型建立在级数展开的基础上，级数展开中的高阶项缺省导致设计结果相较于实际存在差异，根据设计参数制作的变栅距光栅栅线分布误差较大。同时，由于栅线分布展开系数较为复杂，设计人员需要具有丰富的设计经验并在优化过程中往复调整各个系数的权重因子，导致设计过程更为复杂低效。因此，针对变栅距光栅记录结构的高效、准确设计方法是十分重要的。
3、针对变栅距光栅记录结构的设计，国内外有很多相关的解决方案。
4、期刊论文【takeshi,namioka,masato,et al.aspheric wave-front recordingoptics
5、专利技术专利cn201410521344.7使用类似的方法，也是通过展开模型实现记录参数的求解，同样存在高阶展开项被忽略导致的设计精度低的问题。
技术实现思路
1、鉴于上述问题，本专利技术的目的是提出一种变栅距光栅记录结构优化设计方法，使用光线追迹手段实现无展开误差的精确设计，设计结果与实际不存在差异；设计中自动带入各项设计目标的容差设计，整套方法更加自动化、智能化。本专利技术相较于传统方法可以更快速、准确地实现变栅距光栅记录结构的优化设计。通过设计目标的转换避开了多目标权重分配问题，使用光线追迹方法避免了展开方式导致的固有高阶展开误差。
2、为实现上述目的，本专利技术采用以下具体技术方案：
3、本专利技术提供一种变栅距光栅记录结构优化设计方法，用于对变栅距光栅记录结构进行优化，记录结构包括：记录光源c、记录光源d、辅助反射镜；
4、记录光源c发出的相干光束直接照射至变栅距光栅基底；
5、记录光源d发出的相干光束经过辅助反射镜的反射后入射至光栅基底；
6、其中，
7、点o为光栅基底上的中心点，点p为光栅基底上其中一个特征点；
8、点o1为辅助反射镜上的中心点，点q为辅助反射镜上的反射点；
9、cp为记录光源c到p点的光程；
10、dqp为记录光源d发出的相干光束经过q点反射到p点的光程；
11、co为记录光源c到o点的光程；
12、do1o为记录光源d发出的相干光束经过o1点交于o点的光程；
13、记录臂rc为记录光源c到o点的距离；
14、记录臂rd为记录光源d到o1点的距离；
15、记录臂rq为o1点到o点的距离；
16、记录角度θc为rc与光栅基底中心处法线的夹角；
17、记录角度θd为rq与光栅基底中心处法线的夹角；
18、记录角度θq为rd与辅助反射镜中心处法线的夹角；
19、其特征在于，包括以下步骤：
20、预处理步骤s0、在光栅基底上采样特征点pi，获得每一个特征点pi对应的光栅栅线函数ni以及光栅栅线密度分量nxi和nzi；
21、计算过程为：
22、记录光源d发出的一条光线经过点q反射后交于点p，根据光程函数理论，p点的光栅栅线函数n为：
23、
24、其中，
25、λ为记录光源c和记录光源d的波长；
26、xp为p点的弧矢坐标；
27、zp为p点的子午坐标；
28、nij为光栅基底栅线分布的展开系数；
29、根据公式(1)得到光栅栅线函数关于p点弧矢坐标xp和子午坐标zp的偏导数，即p点光栅栅线密度的弧矢分量nx和子午分量nz：
30、
31、
32、其中，
33、αcp，βcp，γcp分别表示cp的方向余弦在x，y，z方向的分量；
34、αqp，βqp，γqp分别表示qp的方向余弦在x，y，z方向的分量；
35、xp，yp，zp分别表示p点在三维直角坐标系中的坐标；
36、δyp/δxp和δyp/δzp分别表示光栅基底p点处的基底面型偏导；
37、δn/δxp和δn/δzp分别表示光程函数关于p点弧矢坐标和子午坐标的偏导数，即光栅栅线密度的弧矢分量nx和子午分量nz。
38、s1、确定记录光源c的坐标，求解记录光源c到特征点pi的方向矢量；
39、s2、根据公式(1～3)求解特征点pi对应的在非球面波记录臂中的入射光线piqi的方向和光程函数差i；
40、s3、根据入射光线piqi的方向、记录光源d的坐标和记录臂rd和记录臂rq的长度，求解特征点pi对应辅助反射镜上点qi的坐标，并根据反射规律计算辅助反射镜上qi点处的法线；
41、s4、根据辅助反射镜qi点坐标和法线信息，通过拟合方法获得辅助反射镜面型信息；
42、s5、分析拟合后的辅助反射镜的残余误差，当离散程度＞设定阈值时，重复上述步骤s1-s4；当离散程度≤设定阈值时，输出设计结果。
43、优选地，步骤s1包括：
44、根据特征点pi的坐标(xpi,ypi,zpi)和记录光源c的坐标(xc,yc,zc)；
45、对应的在特征点pi处的方向矢量可描述为(xpi-xc,ypi-yc,zpi-zc)；
46、对该矢量进行归一化操作得到特征点pi处在记录臂rc中的入射光线方向矢量。
47、优选地，辅助反射镜的面型为球面、椭球面、二次曲面或自由曲面。
48、优选地，光程函数差i为：
49、i＝dqipi-do1o。
50、优选地本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种变栅距光栅记录结构优化设计方法，用于对变栅距光栅记录结构进行优化，所述记录结构包括：记录光源C、记录光源D、辅助反射镜；
2.根据权利要求1所述的变栅距光栅记录结构优化设计方法，所述步骤S1包括：
3.根据权利要求2所述的变栅距光栅记录结构优化设计方法，所述辅助反射镜的面型为球面、椭球面、二次曲面或自由曲面。
4.根据权利要求3所述的变栅距光栅记录结构优化设计方法，所述光程函数差I为：
5.根据权利要求4所述的变栅距光栅记录结构优化设计方法，所述设定阈值为遗传算法的迭代次数上限，当所述设定阈值为迭代次数上限时，所述设定阈值为20次；
6.根据权利要求4所述的变栅距光栅记录结构优化设计方法，所述设定阈值为所述辅助反射镜面型拟合残余误差的均方根值，当所述设定阈值为所述辅助反射镜面型拟合残余误差的均方根值时，所述设定阈值小于一个记录波长；
7.根据权利要求5或6所述的变栅距光栅记录结构优化设计方法，所述设定阈值为手动输入控制，根据不同的需求进行手动调整。
【技术特征摘要】
1.一种变栅距光栅记录结构优化设计方法，用于对变栅距光栅记录结构进行优化，所述记录结构包括：记录光源c、记录光源d、辅助反射镜；
2.根据权利要求1所述的变栅距光栅记录结构优化设计方法，所述步骤s1包括：
3.根据权利要求2所述的变栅距光栅记录结构优化设计方法，所述辅助反射镜的面型为球面、椭球面、二次曲面或自由曲面。
4.根据权利要求3所述的变栅距光栅记录结构优化设计方法，所述光程函数差i为：
5.根据权利要求4所述的...
【专利技术属性】
技术研发人员：姜岩秀，王新宇，李文昊，郑钟铭，迟振东，王玮，
申请(专利权)人：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，
类型：发明
国别省市：
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