[发明专利]基于联合优化多波长光束整形算法的DOE元件设计方法

说明书

本申请提供基于联合优化多波长光束整形算法的DOE元件设计方法，该方法包括：确定待设计的DOE元件的多个中心波长，基于GS算法计算出每个中心波长对应的DOE相位，并将计算的DOE相位分别转化为高度；对不同波长的DOE元件中每个像素点进行高度叠加，每次叠加为对应设计波长的2π相位延迟高度；基于PSO算法计算出能量利用率和照明均匀性的加权平均值为最大时的DOE面形高度。利用该方法设计的DOE元件可以对经过LED准直后的不同波长的平面波实现光束整形，整形后的能量利用率可以达70％以上，平均照度均匀性可以达90％以上。

技术领域

本申请涉及非成像光学照明领域，尤其涉及基于联合优化多波长光束整形算法的DOE元件设计方法。

背景技术

衍射光学元件(Diffractive Optical Element，DOE)泛指通过表面复调结构对入射光进行相位调制而在输出面得到任意形状光斑的一类光学器件。与传统几何光学元件相比，DOE设计自由度高、波前调制能力强，是常用的光束整形器件，经过合理的设计不仅可以改变光束形状，还可以调控其光场分布。

用于光束整形的DOE设计是从一个已知入射光场与目标面强度分布，求解DOE相位的过程。根据求得的相位设计DOE表面浮雕图案。为此研究的算法包括几何变换、直接二进制搜索、模拟退火、迭代傅里叶变换、GS算法(GERCHBERG_SAXTON算法)，杨-顾算法、遗传算法、粒子群算法(PSO算法)以及这些方法的各种组合。由此产生的DOE可以同时聚焦和空间分离离散波长。然而，随着设计波长数量的增加，期望区域内的平均能量利用率显著降低。

发明内容

为克服随着设计波长数量的增加，期望区域内的平均能量利用率显著降低的缺陷，本申请的目的在于：提出一种针对DOE元件用于多波长时随着设计波长数量增加时能量利用率下降的问题的设计方法，该方法能提高能量利用率，减少使用的光学元件数量。

为实现上述目的，本申请采用如下技术方案：

一种基于联合优化多波长光束整形算法的DOE元件设计方法，其特征在于：

确定待设计的DOE元件的多个中心波长，基于GS算法计算出每个中心波长对应的DOE相位，并将计算的DOE相位分别转化为高度；

对不同波长的DOE元件中每个像素点进行高度叠加，每次叠加为对应设计波长的2π相位延迟高度，选择所叠加的多个中心波长对应的高度范围内高度差最小的一组，并取平均高度值，所述平均高度值作为PSO算法优化的面形初始高度值；

基于PSO算法计算出能量利用率和照明均匀性的加权平均值为最大时的DOE面形高度。

优选的，根据设计波长，在GS算法中加入自适应权重系数，所述自适应权重系数为GS算法迭代预设次数后使评价函数值最小时对应的数值，所述评价函数为目标光强与迭代光强的平方差。

优选的，在GS算法中加入自适应权重系数后对所得DOE相位进行量化，并将量化后的相位信息转换为对应高度信息。

优选的，使用PSO算法时，将面形初始高度值作为PSO算法的初始粒子，

将DOE元件中每个像素的搜索高度限制在所选不同波长对应的高度差最小组之间。

优选的，计算出的DOE相位分别依据计算式：

转换为对应的高度，

其中，h是高度，φ是相位，n(λ_i)为不同入射波长下的材料折射率。

优选的，基于联合优化多波长光束整形算法的DOE元件设计方法，其特征在于，还包括：

对DOE元件中每个像素进行高度累加，每次累加为对应设计波长的2π相位延迟高度，高度累加后每个像素的对应高度为：