用计算机光学方法改变光场分布的研究

论文摘要

在光波及电磁波的应用中,根据不同的要求,需要把场分布进行改变,以满足实际应用过程对光波及电磁波的应用需要。近年来的大量文献表明,计算机光学的方法已经可以应用于光波及微波波段中的场分布改变,具有广泛的应用前景。本文以标量衍射理论为基础,用计算机光学的方法,用可视化CVF(Compaq Visual Fortran)程序,编制了计算机光学元件的设计软件LZCOE,其中包括可视化参数输入界面和程序的自动运行,以及结果的处理和显示。此软件具有方便、简单和使用范围广的优点。利用这个软件设计出了光波波段和微波波段的反射式与光波段的透射式计算机光学元件。本文主要包括元件的理论分析,程序的设计及计算机模拟。首先对计算机光学元件的基本设计理论进行了详细分析,着重研究了标量衍射理论。在此基础上,对于反射式计算机光学元件提出了一种新的优化设计方法。对在透射式元件的设计过程中,提出利用设计反射式元件时计算相位分布的方法对传统GS算法进行改进,计算出GS算法的迭代初始值,从而有效地改进了GS算法的不足。在所提出的优化设计的基础上,利用FORTRAN 90开发出了反射式及透射式计算机光学元件设计软件。利用此软件能够方便地实现对任意目标图像的元件设计及验证,克服了传统MATLAB软件的程序重用性差、用户界面不友好等缺点。利用此软件,计算得到了计算机光学元件上的浮雕高度,设计出了计算机光学元件,计算机模拟结果与预期图样相符合。文章设计了能够将高斯光束转变为具有特殊图案的形状以及多个目标图像的计算机光学元件,模拟结果与预期结果相符合。对于反射式元件而言,设计了在不同光波段(可见光与红外)的元件,而且设计了改变毫米波场分布的元件。对于采用改进算法设计的透射式元件,也设计了在不同光波段(可见光与红外)的元件,并与传统GS算法的设计作了比较。文中对上述设计理论得到的模拟结果进行了分析,得出具有一定参考价值的结论,对今后的计算机光学元件设计具有指导性意义。

论文目录

• 第一章 绪论
• 1.1 课题的目的和意义
• 1.2 计算机光学研究的国内外概况
• 1.3 计算机光学分析方法概述
• 1.4 计算机光学元件的主要应用领域
• 1.5 计算机光学的主要发展趋势
• 1.6 论文的主要工作
• 第二章 理论基础
• 2.1 几何理论基础
• 2.1.1 程函方程
• 2.1.2 光线的定义与其微分方程
• 2.1.3 能量守恒定律
• 2.1.4 利用几何理论设计的基本方法
• 2.2 标量理论基础
• 2.2.1 瑞利—索末菲衍射
• 2.2.2 菲涅耳衍射
• 2.2.3 夫琅和费衍射
• 2.3 矢量分析理论
• 2.3.1 模态理论的讨论
• 第三章 反射式计算机光学元件的设计
• 3.1 反射式元件设计的基本思想
• 3.2 反射式元件的计算机设计
• 3.2.1 反射式元件程序设计的语言及开发环境
• 3.2.2 基于CVF 的反射式元件设计程序的目标
• 3.2.3 优化设计程序的流程图与评价参数
• 3.3 反射式元件的计算机模拟计算
• 第四章 基于改进算法的透射式计算机光学元件的设计
• 4.1 透射式元件设计的基本思想
• 4.1.1 GS 算法及其存在的主要问题
• 4.1.2 GS 算法相位初值的计算
• 4.1.3 相关问题及参数说明
• 4.2 透射式元件的计算机模拟计算
• 第五章 结束语
• 5.1 结论
• 5.1.1 论文完成的工作
• 5.1.2 论文新见解
• 5.2 问题和展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻硕期间取得的研究成果