一种高衍射效率、低散斑噪声的衍射光学元件的设计方法
专利汇可以提供一种高衍射效率、低散斑噪声的衍射光学元件的设计方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种高衍射效率、低散斑噪声的衍射光学元件的设计方法，1)使用振幅为常数振幅、 相位 为随机相位的复振幅光场作为相息面上的初始复振幅光场；2)相息面上的复振幅光场经衍射传播到成像面，得到成像面上的复振幅光场；3)利用特殊设计的PID限制替换步骤2)中获得的复振幅光场的振幅部分；4)步骤3)中替换后的复振幅光场逆衍射传播回相息面，得到一个复振幅光场；5)取出步骤4)中的复振幅光场的相位部分，量化后得到衍射光学元件的相位；6)以步骤5)中获得的相位作为相息面的相位，并以常数振幅作为相息面的振幅，得到相息面的复振幅光场；7)重复步骤2)和步骤6)，当衍射光学元件满足设计要求时， 迭代 完成。，下面是一种高衍射效率、低散斑噪声的衍射光学元件的设计方法专利的具体信息内容。
1.一种高衍射效率、低散斑噪声的衍射光学元件的设计方法，其特征在于：该方法的步骤如下：
步骤(1)、确定衍射光学元件设计中所使用的激光的波长λ以及目标光场振幅分布Ed(x1,y1)；
步骤(2)、根据具体需要，选择合适的衍射传播函数；
步骤(3)、根据具体需要，确定衍射光学元件的相位台阶数目L以及整体尺寸D；
步骤(4)、将成像面分成信号区(S)和噪声区(N)，噪声区和信号区的像素数分别为M×M和m×m；
步骤(5)、使用振幅为常数振幅、相位为随机相位 的复振幅光场作为相息面上的初始复振幅光场U；
步骤(6)、相息面上的复振幅光场U经衍射传播到成像面，得到成像面上的复振幅光场E(k)(x1,y1)，上标k表示迭代次数；
步骤(7)、计算出步骤(6)中的复振幅光场E(k)(x1,y1)的振幅部分A(k)(x1,y1)与目标振幅Ed(x1,y1)之间的误差e(k)(x1,y1)＝Ed(x1,y1)-A(k)(x1,y1),(x1,y1)∈S；
步骤(8)、将步骤(7)中计算出的误差e(k)(x1,y1)代入等式(1)和等式(2)，计算出一个优化振幅 其中等式(1)和(2)称为PID限制(proportional-integral-
differential constraint，比例-积分-微分限制)，
步骤(9)、用步骤(8)中计算出的优化振幅 替换步骤(6)中计算出的复振幅光场E(k)(x1,y1)的振幅部分，保留其相位部分，替换后可以获得一个优化复振幅光场步骤(10)、步骤(9)中的优化复振幅光场 经过逆衍射计算返回相息面，得到一个复振幅光场U′；
步骤(11)、取出步骤(10)中的复振幅光场U′的相位部分 并将其量化成L级台阶；
步骤(12)、以步骤(11)中量化后的 作为相息面的相位分布，再以常数振幅作为相息面的振幅分布，从而获得相息面上的一个新的复振幅光场；
步骤(13)、重复步骤(6)和步骤(12)，当衍射光学元件满足设计要求时，迭代完成，输出步骤(11)中量化后的 作为衍射光学元件的相位分布，并计算出衍射光学元件的浮雕深度分布h(x0,y0)，衍射光学元件的相位分布 和浮雕深度分布h关系满足等式(4)，n表示折射率：
2.根据权利要求1所述的一种高衍射效率、低散斑噪声的衍射光学元件的设计方法，其特征在于：所述步骤(1)中的激光光源是高斯光或者平面光。
3.根据权利要求1所述的一种高衍射效率、低散斑噪声的衍射光学元件的设计方法，其特征在于：所述步骤(2)中所用的衍射传播函数可以采用快速傅里叶变换或者夫琅禾费衍射或者菲涅尔衍射。
4.根据权利要求1所述的一种高衍射效率、低散斑噪声的衍射光学元件的设计方法，其特征在于：所述步骤(3)中的衍射光学元件的相位台阶数L只能取2n，n为整数。
5.根据权利要求1所述的一种高衍射效率、低散斑噪声的衍射光学元件的设计方法，其特征在于：所述步骤(8)中，等式(1)和(2)可由等式(5)和等式(6)推导而来，根据等式(5)可知，优化振幅 由三部分组成，Kp*e(k)+y0部分称为比例控制、 部分称为积分控制、Kd*[e(k)-e(k-1)]部分称为微分控制，其中，比例控制与当前误差成线性比例关系，是对误差当前状态的控制，可以让误差快速减小；误差的积分控制是对误差过去变化情况的控制，利用积分控制对误差的累积作用，可以消除比例作用无法消除的稳态误差，即算法收敛时还存在的误差；误差的微分控制是对误差变化率e(k)-e(k-1)的控制，可以阻止由于比例、积分控制导致的误差振荡，防止算法不收敛，等式(5)中的优化振幅 包含了对误差的比例、积分以及微分控制，Kp、Ki、Kd分别代表比例系数、积分系数和微分系数，
令 得到：
再令ω1＝(Kp+Ki+Kd),ω2＝-(Kp+2Kd),ω3＝Kd，即可得到等式(1)和等式(2)，当k＝1时，e(k-1)(x1,y1)＝e(k-2)(x1,y1)＝0， 三个权重因子ω1，ω2以及ω3需要通过尝试法进行确定。
6.根据权利要求1所述的一种高衍射效率、低散斑噪声的衍射光学元件的设计方法，其特征在于：所述步骤(9)中，使用步骤(8)计算出的优化振幅 替换步骤(6)中的复振幅光场E(k)(x1,y1)的振幅部分时，只需要替换该复振幅光场信号区[即(x1,y1)∈S)]的振幅，而保留其噪声区振幅以及信号区和噪声区的相位。
7.根据权利要求1所述的一种高衍射效率、低散斑噪声的衍射光学元件的设计方法，其特征在于：所述步骤(11)中的相位全息需要进行量化处理，从而通过迭代量化的方式减少量化误差。
8.根据权利要求1所述的一种高衍射效率、低散斑噪声的衍射光学元件的设计方法，其特征在于：该方法克服了传统的衍射光学元件设计方法设计的衍射光学元件量化误差大这一缺点，使用该方法设计的衍射光学元件具有非常高的衍射效率以及非常低的散斑噪声，即使设计的衍射光学元件只有两个台阶，其衍射效率都能达到36％，接近理论衍射效率
40.5％，同时均方根误差能减小到0.05。
一种高衍射效率、低散斑噪声的衍射光学元件的设计方法
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