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申请/专利权人：中国科学院光电技术研究所

摘要：本发明涉及一种基于多区域、多结构参数优化的计算全息图编码方法，属于全息术在光学检测中的应用。本方法主要分为以下两个步骤：首先，在纯相位计算全息模型的基础上，利用标量衍射理论结合光线追迹方法，划定计算全息图上引起鬼像的衍射光级次组合以及相应区域范围；然后，根据严格耦合波理论分析、设计该区域的结构参数包括占空比、刻蚀深度，减小相应衍射级次光的衍射效率，从而实现鬼像的抑制。与现有技术相比，本发明通过严格耦合波理论优化、设计计算全息图引起鬼像的区域微结构参数，实现了鬼像抑制，提高了基于计算全息的面形干涉检测精度。

主权项：1.一种基于多区域、多结构参数优化的计算全息图编码方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：步骤1，基于中点控制的计算全息图相位编码；步骤2，在计算全息图上确定鬼像形成区域；步骤3，采用严格耦合波法设计该鬼像形成区域的结构参数；所述步骤1包括：步骤1.1:根据回转对称的待测光学元件参数、待测光学元件与计算全息图相对位置选择标准球面镜头，采用光线追迹法得到计算全息图的相位结果Φ，并用标准Zernike多项式的形式表达：Φr,θ＝∑kAkZkr,θ式中，Zkr,θ是第k项Zernike多项式，k的取值范围由计算全息图相位的拟合精度决定；Ak是第k项Zernike多项式的系数；r,θ是计算全息图上以极坐标形式表达的空间坐标，r是极径，θ是极角；步骤1.2:根据非球面检测精度设定计算全息图相位离散编码误差边界ε，定义条纹占空比为0.5，则计算全息图条纹轮廓曲线满足：Φri,θi＝iπ,i＝1,2…n式中，i表示计算全息图第i个条纹轮廓曲线，n为自然数，表示计算全息图条纹轮廓曲线的总数量，满足如下关系： 式中，floor[*]表示向下取整数，maxΦ表示取计算全息图的相位结果最大值；步骤1.3:令求解得到从而确定第i个条纹轮廓曲线的起始坐标步骤1.4:根据第i个条纹轮廓曲线起始坐标，对计算全息图的相位进行离散编码；首先，将以极坐标表示的第i个条纹轮廓曲线以为间隔划分成N个离散点，则第N个离散点坐标中满足： 定义第N个离散点和第N-1个离散点之间的中间离散点的坐标中满足： 则第N个离散点坐标满足如下关系： 其中，abs*表示求两点之间的距离；RC表示计算全息图上的有效相位区域，求解上述方程组得到第i个条纹轮廓曲线的离散点坐标集依次连接各个离散点坐标形成离散后的第i个条纹轮廓曲线；步骤1.5:重复步骤1.4，计算第i+1个条纹离散轮廓曲线的离散点坐标集直至满足如下关系：i+1n；所述步骤2包括：步骤2.1:根据所述计算全息图的相位结果，建立检测光路的光线模型：根据光线追迹方法，以标准球面镜头的焦点位置作为原点，根据检测光路的光线模型结构、计算全息图物理尺寸结构和相位结果以及待测光学元件面形方程分别建立计算全息图和待测光学元件的物理坐标；在光路中非衍射面处采用折射定律确定光线传播情况： 分别是光线在两种不同介质的非衍射界面处的入射向量和出射向量，是对于光学表面处的法线方向，e＝nti是两种不同介质的非衍射界面两侧的折射率比值；当两种不同介质的界面处存在衍射时，在衍射界面光线传播方向满足： 式中，表示光线在衍射界面处的出射向量，λ表示入射光波长，m表示计算全息图产生的某个衍射级次，表示计算全息图的第m级衍射光对应的相位分布，x,y分别表示入射光线到达计算全息图上的位置坐标；步骤2.2:按照步骤2.1所述的光线追迹方法，计算不同衍射级次组合光线产生的鬼像情况；不同衍射级次组合光线记为f,g，其中，fxf,yf表示光线第一次经过计算全息图上xf,yf位置处时产生的f级衍射光线；gxg,yg表示f级衍射光线在经过待测光学元件后返回计算全息图xg,yg位置处产生的g级衍射光线；步骤2.3:根据步骤2.1所述的光线追迹方法计算g级衍射光线到达标准球面镜头焦平面上的位置坐标xgc,ygc，当位置坐标xgc,ygc满足如下关系时，则确定f,g衍射级次组合会产生鬼像： 式中，Pd是标准球面镜头焦平面上的等效滤波小孔半径，定义鬼像形成区域是g级衍射光线在计算全息图上的区域，即步骤2.4:选择不同衍射级次组合fa＝a,gb＝b，其中a,b＝±1,±2,…,±10，重复步骤2.3直至确定正负10级内所有衍射级次组合；所述步骤3包括：步骤3.1:基于所述计算全息图的相位离散编码结果，根据标量衍射理论给定刻蚀深度h： 式中ng为计算全息基底材料折射率，Φ为全息单周期附加的相位值；步骤3.2：将相位离散编码后计算全息图的有效区域沿等相递增方向离散成若干个等效光栅的集合，其中等相递增方向是计算全息图上等相位线上切线方向相等的点依次连接的方向；设占空比D与光栅周期d、光栅线宽a满足D＝ad，根据相位离散编码后的计算全息图计算等效光栅初始结构，其中，光栅周期d取局部周期的平均周期,占空比初始值D0，刻蚀深度初始值h0，入射空间折射率n1,透射空间折射率n2；步骤3.3：根据严格耦合波理论计算计算全息图有效区域上的目标衍射光线的初始附加相位和初始衍射效率DT1；在鬼像形成区域上目标衍射光线的初始附加相位初始衍射效率DT1g以及g级衍射光衍射效率DTg；根据严格耦合波理论,各级次衍射波透射复振幅Em表示如下： 其中，m表示计算全息图产生的某个衍射级次；Tm表示第m级衍射波电场的归一化振幅；j是复数符号；k0表示空间波矢,k0＝2πλ；θI为入射角；xc,yc分别表示计算全息图局部区域位置坐标；设k2,zm表示透射波沿光轴方向上的波矢分量，满足如下关系： 第m级次衍射光的附加相位表示为Ψm＝angleT，angleT表示对透射波前T计算相位，第m级次衍射光衍射效率DTm满足如下关系： 其中，T*m是Tm的共轭表达；Re*表示取实部；步骤3.4:在第k次迭代中改变计算全息图有效区域内的微结构参数，占空比Dkc、刻蚀深度hkc，和引起鬼像形成区域内的微结构参数，占空比Dkg、刻蚀深度hkg；将迭代得到的新的参数代入步骤3.2重新执行,计算第k次迭代时，计算全息图有效区域的目标衍射光的附加相位和衍射效率在鬼像形成区域上目标衍射光的附加相位衍射效率以及g级衍射光衍射效率步骤3.5:判断第k次迭代时计算全息图有效区域内的目标衍射光的附加相位和衍射效率在鬼像形成区域上目标衍射光的附加相位衍射效率以及g级衍射光衍射效率是否满足以下条件： 式中，△Ψ、△DT、δDT、δΨ分别是根据实际情况给出的判断阈值，其中△Ψ、δΨ取0.01λ，△DT取5％～10％，δDT根据图像传感器曝光技术参数选择合适的数值；|*|表示取绝对值；满足上述条件则输出计算全息图设计结果，优化设计结束；否则进行第k+1次迭代，改变计算全息图有效区域内的微结构参数，占空比Dkc、刻蚀深度hkc和引起鬼像形成区域内的微结构参数，占空比Dkg、刻蚀深度hkg，并代入步骤3.2重新执行，直至满足判断阈值条件。

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