控制三维光场的纯相位衍射光学元件优化设计

为提高纯相位衍射光学元件的设计效果，实现高衍射效率的三维光场衍射传播控制，在原有GS迭代算法的基础上提出了新的相位加权迭代优化设计算法。此算法的特点是，建立多衍射输出平面迭代加权算法模型，并通过反馈各个设计输出平面在迭代计算过程中的设计误差，引入一定的相位动态加权整调策略，以达到更加优化的设计效果。以此算法设计一个纯相位衍射光学元件，将输入的高斯光束在距离输入面300mm～400mm内的每个平面上变换为2×2等强度光束阵列。通过对比实验发现此方法在原有算法基础上能进一步改善算法的收敛效果，提高整体设计质量，实现更加优化的运算。     

有限口径非周期亚波长衍射聚焦偏转器的严格矢量优化

有限口径非周期亚波长衍射光学器件的亚波长结构特性使得传统标量衍射理论失效,必须借助严格电磁理论进行器件的设计。提出一种循环平面波谱算法(IterativePlaneWaveSpectrumAlgorithm,IPWSA)作为器件优化算法,利用二维时域有限差分方法作为严格电磁计算模式,根据Farn方法对器件面型进行亚波长处理,设计出有限口径非周期具有亚波长结构的衍射聚焦偏转器件,偏转角为24.8°,该器件可与激光器集成构成微型集成光学系统,也可以用在红外量子阱系统中。详细分析了算法原理,设计实例验证了算法的优化效果。     

Vector iterative algorithm for the design of diffractive optical elements applied to uniform illumination

A vector angular-spectrum iterative algorithm for the design of diffractive optical elements to produce uniform illumination is described. In the algorithm, the variation of beam polarization is related to a unit wave vector and a random mixture of intensity is used for super-Gaussian beam shaping [corrected]. The simulated results show that approximately 95.3% of the incident energy has converged into the desired region. The greatest profile error and the mean-square error of intensity fitted to the corresponding parameters of the 100th-power super-Gaussian function are approximately 8 x 10(-4) and 3.5 x 10(-3), respectively.     

投影光刻离轴照明用衍射光学元件的矢量分析

使用衍射光学元件(DOE)作为投影光刻照明系统实现离轴照明(OAI)的光束整形匀光器件,能够在保持较高照明效率的基础上精确控制OAI光束的形状及光强分布.在矢量角谱传输方法的基础上,建立了投影光刻用DOE的矢量分析模型,并对标量方法设计的DOE在偏振照明情况下的匀光与整形性能进行了分析.分析结果表明DOE在大角度衍射、...     

Variable shape or variable diameter flattop beam tailored by using an adaptive weight FFT-based iterative algorithm and a phase-only liquid crystal spatial light modulator

The variable shape or variable diameter flattop beam shaping technique by using an adaptive weight FFT-based iterative algorithm (AWFFT-IA) and a phase-only liquid crystal spatial light modulator (PO-LCSLM) is demonstrated. The algorithm is used to design the phase distribution for tailoring central symmetric laser beam into the desired shape or diameter flattop beam, the PO-LCSLM serves as dynamically programmable phase filters, which depend on the designed phase distributions, to retard the incident wavefront as we would expect. The experimental results show that the technique can realize variable shape or variable diameter flattop beam shaping.     

用于光束整形的多功能衍射相位板的设计

提出一种设计多功能衍射相位板的随机搜索和模拟退火混合设计方法利用这种方法,通过采用多个评价函数,可设计出在不同观察面上同时产生所需光强分布的衍射相位板设计用于高斯光束整形的多功能衍射相位板可以在焦面上产生高能量利用率、小旁瓣的光强分布,同时在离焦面上获得具有良好顶部均匀性的光强分布该方法提高了衍射器件的设计灵活性,对于设计同一块器件在光路的不同位置产生所需的光强分布提供了新的思路,在激光武器、激光加工和激光手术等领域有广阔的应用潜力.     

In situ technique for measuring the orthogonality of a plane wave to a substrate

A new compact in situ method of measuring the perpendicularity of a plane wave to a substrate is proposed. Off-axis cylindrical Fresnel lenses are used to focus a portion of the incident plane wave onto target lines. The displacement of the focal line from the targets is determined by the degree of angular misalignment. The proposed design has been incorporated into a 10-mm-thick fused-silica module, which enables us to obtain an alignment precision of better than 0.0083 degrees. This method is designed for use in optical assembly procedures that require an incident collimated beam that is normal to the alignment features. Experimental results are presented.     

一种基于自由曲面的LED准直透镜设计

提出一种能实现准直光束照明的自由曲面透镜设计算法,并基于此算法设计一种以单颗LED为光源的准直透镜。通过建立透镜后表面轮廓曲线上的点所满足的方程,利用迭代方法并结合Matlab编程求出自由曲面轮廓曲线的离散数据点,将数据点导入SolidWorks中进行曲线拟合并建模,进而得到透镜的实体模型。在TracePro中对该透镜进行非序列光线追迹,模拟结果表明:该光学系统能够实现均匀照明,并对最终光线可实现准直出射。     

抑制光束抖动的压电倾斜镜高带宽控制

提出了一种抑制光束平台抖动和压电倾斜镜机械谐振的方法从而提高系统校正带宽和跟瞄精度.通过分析双二阶滤波器参数对频率特性的影响,提出了一种双二阶滤波器的设计方法,并把这种设计方法结合比例积分(PI)控制算法用于抑制光束平台抖动和压电倾斜镜机械谐振.最后,对经典PI控制算法和增加了双二阶滤波器的PI控制算法进行了实验比较,在相同的条件下,增加了双二阶滤波器的PI控制带宽比经典PI控制带宽提高了近1倍,对平台抖动控制精度提高了5倍以上.实验结果表明:增加了双二阶滤波器的PI控制算法对抑制光束平台抖动和压电倾斜镜机械谐振简单有效,可以提高系统校正带宽和跟瞄精度.     

Design and verification of diffractive optical elements for speckle generation of 3-D range sensors

The optical projection using speckles is one of the structured light methods that have been applied to three-dimensional (3-D) range sensors. This paper investigates the design and fabrication of diffractive optical elements (DOEs) for generating the light field with uniformly distributed speckles. Based on the principles of computer generated holograms, the iterative Fourier transform algorithm was adopted for the DOE design. It was used to calculate the phase map for diffracting the incident laser beam into a goal pattern with distributed speckles. Four patterns were designed in the study. Their phase maps were first examined by a spatial light modulator and then fabricated on glass substrates by microfabrication processes. Finally, the diffraction characteristics of the fabricated devices were verified. The experimental results show that the proposed methods are applicable to the DOE design of 3-D range sensors. Furthermore, any expected diffraction area and speckle density could be possibly achieved according to the relations presented in the paper.     

轮式机器人轨迹跟踪控制系统的设计

针对轮式机器人轨迹跟踪控制系统误差收敛速率低、精度和实时性差的问题,采用反演控制算法并结合李雅普诺夫稳定性分析方法对轮式机器人的轨迹跟踪系统进行了优化设计。建立了轮式机器人轨迹跟踪控制系统的运动学模型,并对该模型进行位置偏差分析;在反演控制算法中引入了分部虚拟控制量,并分析和设计了其他间接受控量,提高了算法运行的效率;采用李雅普诺夫收敛定理对系统的收敛性进行分析,根据分析的结果提出了算法更加简单的控制律。利用Matlab软件的Simulink库对设计的轨迹跟踪控制系统试验研究。结果表明,与基于李雅普诺夫直接法或者迭代学习算法设计的轮式机器人轨迹跟踪控制系统相比较,设计的控制系统具有跟踪精度高、收敛速度快、实时性好的优点。     

衍射光学元件设计中的插值迭代方法

在I-O算法的基础上提出一个适合于FFT迭代计算的DOE精细化设计方法.并对此方法进行了重复性计算实验.结果表明,这种精细化设计方法可以比较有效地改善设计目标的PV与RMS值,具有较好的可重复性,为后续的模拟退火优化提供了比较良好的初始位相结果.     

基于TIR结构的矩形区域照明LED透镜的设计

研究一种可以在高横纵比的线形区域形成特定照度分布的LED透镜设计方法,即分部设计法。全反射部分根据边缘射线原理和斯涅耳定律设计,采用数值积分迭代法计算,Matlab编程得到全反射部分的轮廓线;透射部分用试错法设计,用SolidWorks将全反射部分和透射部分整合出了一款新的拱形透镜。设计的透镜尺寸为25 mm×18 mm×10 mm。模拟与实践结果表明:透镜匹配扩展光源后,光学效率高于85%,半光强角可达9°×135°,可以在横纵比大于15的线形区域实现均匀照明。     

一种用于光束整形的衍射光学元件设计算法

在光束整形衍射光学元件的设计中,为同时减小输出光束的均方根误差和顶部不均匀度值,提出了模糊控制迭代算法(IAFC)。在盖师贝格-撒克斯通(Gerchberg-Saxton,G-S)算法的基础上,提出了平滑修正法,可有效改善输出光束的顶部均匀度,但却增大了均方根误差值。模糊控制迭代算法依据模糊控制理论,通过有效结合盖师贝格-撒克斯通算法和平滑修正法来同时降低均方根误差和顶部不均匀度值。计算机设计的结果表明,利用模糊控制迭代算法可以得到非常理想的输出光束,其均方根误差和顶部不均匀度值分别为0.75%和0.46%,能量转换效率可达94.91%。为光束整形衍射光学元件的设计提供了一种有效的新算法。     

基于邻域特征点提取和匹配的点云配准

为解决噪声干扰、数据丢失情况下迭代最近点算法的鲁棒性差、配准精度低等问题,提出一种基于邻域特征点提取和匹配的点云配准方法.首先定义一个由点的k邻域曲率、点与邻近点的法向量内积均值以及邻近点与邻域拟合平面的欧氏距离方差等三部分组成的邻域特征参数,结合在移动最小二乘表面构造的曲率特征参数对点云进行两次特征点提取;其次依据直方图特征定义三个匹配条件,并用双重约束获得正确的匹配点对;最后在配准阶段,采用双向构建k维树的迭代最近点算法实现精确配准.实验结果表明,该算法的配准精度较迭代最近点算法提高了90%以上,并且能够在噪声环境下有效地完成缺失点云的配准,在鲁棒性和精确配准方面有明显优势.     

波束空间能量约束的稳健自适应波束形成

为改善波束形成器在一定失配条件下的工作性能,提出了一种稳健自适应波束形成方法。该方法通过设计信号在波束空间能量分布的约束条件,利用阵列数据协方差矩阵,结合迭代二阶锥规化方法,实现信号驾驶向量的估计,最后利用该估计得到最小方差无失真响应波束形成器。该方法在较恶劣的失配条件下也可以自适应地准确估计信号驾驶向量并保证其成分无失真地通过,使系统的稳健性得到改善。数据仿真结果表明,该方法在理想条件下与成熟的对角加载法性能相当,在失配条件下则优于后者。      

基于双边滤波算子的医学脊椎去噪

为了有效滤除医学脊椎模型的噪声点,同时更好地保持模型细节,提出了一种基于双边滤波算子的医学脊椎去噪模型.采用双边滤波在多尺度条件下进行脊椎三维模型轮廓线的提取,设计改进自适应扩散系数,以更好的优化控制整个扩散过程.根据图像的离散特征,建立相应的离散迭代方程,使迭代过程离散化,并设计迭代停止准则,当去噪平滑后的图像模型与噪声相关性最小时停止迭代.与经典的向异性扩散模型方法实验结果相比,本方法在解决去噪方面达到了很好的滤波效果,同时也较好地保持了医学图像的边缘细节特征,大大优于传统滤波算法.     

Efficient method for evaluation of the diffraction efficiency upper bound of diffractive phase elements

The theoretical diffraction efficiency upper limit of diffractive phase elements (DPE's) with finite apertures is investigated. A successful numerical method of evaluating the efficiency upper bound of DPE's is proposed. The method includes a hybrid optimization procedure that combines a genetic algorithm with the conjugate gradient method. This efficient global optimization technique can also be used to design DPE's. Simulation computations are detailed for rotationally symmetric beam shaping in which a Gaussian profile laser beam is converted into a uniform beam. Numerical results demonstrate that the estimated diffraction efficiency upper bound is consistent with the design results.     

菲涅耳区衍射光学束匀滑器件的设计

 采用精细化设计方法，进行了菲涅耳区衍射光学束匀滑器件的设计，利用爬山-模拟退火混合优化算法，获得了真实的束匀滑分布，不仅控制了算法采样点上的光强分布，还控制了其他非采样点上的光强分布。优化得到的束匀滑器件的位相深度小于π，易于后续加工。     

基于高次谐波产生的极紫外偏振涡旋光

突破传统涡旋光场束缚,发展短波极紫外涡旋光场是实现阿秒脉冲偏振控制的有效途径.本研究利用自制的平场光栅光谱仪和超快时间保持的单色仪,以800 nm,35 fs高斯或具有偏振奇点的涡旋光脉冲驱动诱导氩原子产生高次谐波,分别获得相应的高次谐波光谱以及谐波谱单阶光源的分布.实验结果表明,基于高次谐波产生实现近红外波段的涡旋光束特性转移到极紫外波段,优化后的极紫外涡旋可以实现每秒108光子数输出.同时发现极紫外波段的涡旋场和高斯场高次谐波产生具有相似相位匹配机制.基于高次谐波产生的极紫外波段的偏振涡旋光为探究和操控原子分子量子态的含时演化动力学以及形成阿秒矢量光束提供了重要的方法和技术手段.