[發(fā)明專(zhuān)利]一種基于矩陣轉(zhuǎn)換的衍射光學(xué)元件三維建模方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201811036874.7
• 申請(qǐng)日: 2018-09-06
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN109255179B
• 公開(kāi)（公告）日: 2023-01-13
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 趙彥博;袁宇焜;顧春陽(yáng);房豐洲
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 天津大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): G06F30/10
• 分類(lèi)號(hào): G06F30/10;G06F30/20;G06F30/27;G06T17/00
• 代理公司: 天津盛理知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 12209
• 代理人: 陳娟

本發(fā)明涉及一種基于矩陣轉(zhuǎn)換的衍射光學(xué)元件三維建模方法，包括相位設(shè)計(jì)步驟、模型厚度計(jì)算步驟、矩陣放大步驟、點(diǎn)云提取步驟、模型生成步驟。本發(fā)明通過(guò)矩陣轉(zhuǎn)換的方式，逆向工程的思想，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜表面光學(xué)元件快速三維建模。所述方法對(duì)于非周期連續(xù)浮雕結(jié)構(gòu)的衍射光學(xué)元件建模相較傳統(tǒng)方法具有明顯優(yōu)勢(shì)，可以最大限度地保留表面的細(xì)節(jié)，建立高精度的衍射光學(xué)元件模型。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于光學(xué)元件的相位計(jì)算、點(diǎn)云轉(zhuǎn)換、三維模型設(shè)計(jì)等技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種基于矩陣轉(zhuǎn)換的衍射光學(xué)元件三維建模方法。

背景技術(shù)

建立光學(xué)元件的三維模型是表征和加工該光學(xué)元件的重要途徑，傳統(tǒng)圓對(duì)稱(chēng)光學(xué)元件三維模型的建立的方式分為兩種，一種是基于ZEMAX化設(shè)計(jì)得到的幾何參數(shù)或者相位函數(shù)，利用MATLAB軟件借助MZDDE工具箱實(shí)現(xiàn)MATLAB軟件和ZEMAX軟件之間的通訊，進(jìn)而調(diào)用ZEMAX軟件計(jì)算得到的工藝參數(shù)繪制出設(shè)計(jì)的面型；另一種則是利用ZEMAX軟件的外部擴(kuò)展功能，將參數(shù)編寫(xiě)成DOEplot程序包，直接由ZEMAX繪制出面型。

但是對(duì)于非周期連續(xù)浮雕結(jié)構(gòu)的光學(xué)元件，由于其多階近似的制造工藝和不同于傳統(tǒng)光學(xué)元件設(shè)計(jì)方法，目前未見(jiàn)關(guān)于其三維模型的研究。

隨著微光學(xué)元件制造技術(shù)的發(fā)展，加工精度的提高，對(duì)其衍射效率提出更高的要求，因此迫切需要一種高精度三維建模方法。

本發(fā)明提出的非周期連續(xù)浮雕結(jié)構(gòu)的光學(xué)元件建模的難點(diǎn)在于：

其一，由于其表面結(jié)構(gòu)單元的數(shù)量極多，傳統(tǒng)的三維建模軟件的操作方式對(duì)單元進(jìn)行逐一操作的處理方式是十分繁瑣且不經(jīng)濟(jì)的，分析計(jì)算的工作量極大。其二，由于非周期衍射光學(xué)元件在相位計(jì)算過(guò)程中每個(gè)取樣單元是相互獨(dú)立的，所以該復(fù)雜表面衍射光學(xué)元件表面很難用周期函數(shù)或是一般的解析函數(shù)來(lái)表示。因此，建立一個(gè)高精度的能準(zhǔn)確反應(yīng)表面特征的三維模型具有很大的難度。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是降低現(xiàn)有建立復(fù)雜表面光學(xué)元件三維建模的技術(shù)難度，采用逆向工程的思想，將計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)所得的元件表面信息矩陣轉(zhuǎn)化成建模軟件能夠讀取的點(diǎn)云文件，從而實(shí)現(xiàn)快速建模，并對(duì)衍射光學(xué)元件進(jìn)行表征。

所述矩陣包括圖像及MATLAB軟件中數(shù)據(jù)。

所述模型可用于微光學(xué)元件的微納加工過(guò)程，特別適用于微納3D打印技術(shù)。

為了將復(fù)雜的光學(xué)表面模型化，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種基于矩陣的微型衍射光學(xué)元件的建模方法，包括以下步驟：

(1)元件相位設(shè)計(jì)：相位設(shè)計(jì)是利用優(yōu)化算法計(jì)算出符合輸入光和目標(biāo)衍射圖案的變換關(guān)系的相譜，用來(lái)求得衍射光學(xué)元件最優(yōu)相譜的算法有兩類(lèi)，一類(lèi)是基于隨機(jī)搜索的數(shù)值優(yōu)化方法，例如遺傳算法和模擬退火算法；另一類(lèi)是基于迭代傅里葉變換的算法，如G-S算法及其改進(jìn)算法。

(2)模型厚度計(jì)算：模型深度計(jì)算指的是計(jì)算特征面在模型中的Z坐標(biāo)的過(guò)程，這個(gè)厚度可以是特征面的起伏，也就是去除材料厚度，也可以是基底材料的厚度減去去除材料厚度，也就是在相位元件中去除材料的厚度，所述厚度是由基底材料折射率、光的波長(zhǎng)及相位三者決定的，經(jīng)過(guò)對(duì)相位矩陣進(jìn)行計(jì)算，可以得到儲(chǔ)存深度信息的矩陣，稱(chēng)為深度矩陣。

可選地，所述矩陣也可以是反映元件的實(shí)際厚度的厚度矩陣。

可選地，如果有可直接使用的圖像，也可以直接讀取圖像，得到相應(yīng)的M行、N列的矩陣。

(3)矩陣放大：由于矩陣的一個(gè)元素相當(dāng)于一個(gè)點(diǎn)，在建模過(guò)程中，一個(gè)小平面的位置至少需要三個(gè)點(diǎn)才可以確定，因此需要對(duì)矩陣進(jìn)行等比例放大，每個(gè)點(diǎn)沿矩陣的行和列方向等比例放大。放大倍數(shù)越大，則后續(xù)得到的模型精度越高。但同時(shí)工程軟件讀取點(diǎn)云、生成模型消耗的時(shí)間也就越長(zhǎng)，因此具體放大倍數(shù)需要根據(jù)實(shí)際精度要求選擇。

可選地，如果不是平面衍射元件則此步驟可以省略，比如折衍射混合光學(xué)元件。