【技术实现步骤摘要】
本申请属于光学器件设计优化领域，更具体地，涉及一种折衍射光学系统的光学仿真方法、装置及设备。
技术介绍
1、折衍混合系统主要由折射元件(例如透镜)和衍射元件(例如光栅)构成。这种设计结合了折射和衍射的优势，通过折射元件调整光线的传播路径和聚焦特性，同时，衍射元件用于对光波的相位和振幅进行精细调控。折衍混合系统不仅能实现传统光学元件难以达到的光波控制精度，还能在缩小系统体积和重量的同时，提升系统的功能性与灵活性。在成像技术、光通信、光学传感器以及激光技术等众多领域，折衍混合系统都扮演着至关重要的角色。
2、折衍混合系统的设计与分析主要采用以下两类仿真方法，一类是几何光学算法，如光线追迹等，另一类是波动光学算法，如有限元法等。几何光学算法忽略了光的波动性，以几何光学原理为基础，通过计算光线在光学系统中传播路径快速提供光学系统设计的初步评估。波动光学算法考虑了光的波动性，在器件尺寸和波长相当时依旧能够提供高精度的仿真结果。涉及大尺度光学系统，几何光学算法无法提供准确结果，而波动光学面临需要占用极多计算资源的难题。
3、对于折衍混合系统，如何提高算法效率以应用于光学设计优化中，如何准确模拟光与材料相互作用，以及如何平衡仿真精度、计算资源的消耗，是一个需要解决的难题。
技术实现思路
1、针对现有技术的缺陷，本申请的目的在于提供一种折衍射光学系统的光学仿真方法、装置及设备，旨在解决现有方法面对涉及折衍混合系统时计算量较大，需要消耗大量计算资源的问题。
2、为
3、基于折衍射光学系统的结构参数确定对应的衍射区和折射区；
4、结合折衍射光学系统的边界条件，采用有限元仿真得到衍射区的光场分布；
5、利用完美匹配层将折射区的光场和相位与衍射区的光场和相位分别匹配；
6、结合光场和相位的匹配情况，基于快速迭代算法和折衍射光学系统的结构参数获取折射区内光场的相位函数；
7、采用有限元多项式基函数和折射区的相位函数构建折射区的多尺度基函数；
8、基于折射区的多尺度基函数和折衍射光学系统的边界条件，采用有限元方法仿真得到折射区的光场分布。
9、可以理解的是，本申请通过先获取折射区光场的相位函数，以反映光场的传播情况和波动特性，其二维场分布的梯度方向即为光传播方向对应的波矢方向；之后通过相位函数和有限元多项式基函数构建的多尺度基函数，可以减小自由度；且多尺度基函数对应的波矢方向自然是连续的，在不同材料区域之间交界面上波矢不存在突变的情况，本申请中并不需要考虑不同材料区域之间交界面对应的边界条件，可以大大减小折射区光场仿真公式计算的复杂度，减少大量的计算量。
10、需要说明的是，本申请将快速迭代算法和有限元结合的波动光学数值计算方法称为“几何波”算法。
11、示例地，由于本申请提供的光学仿真方法能够大大减小折射区的仿真计算量，因此尤其在针对大尺度折衍射光学系统进行仿真时，本申请提供的方法相比现有仿真方案的优势更加凸显。
12、在一些实施例中，所述完美匹配层包括：衍射区的输出光场与折射区的输入光场匹配，衍射区的输出相位与折射区的输入相位匹配，并将衍射区的输出相位范围转换为大于0的非周期振荡相位范围。
13、在一些实施例中，所述快速迭代算法根据波的传播原理模拟入射光在折射区中的传播过程，由初始波前计算传播到不同位置的波前变化，得到折射区内光场的相位函数；所述初始波前通过衍射区的输出光场确定。
14、在一些实施例中，所述多尺度基函数为：
15、gj(x，y，z)＝nj(x，y，z)e-iφ(x，y，z)
16、其中，gj(x，y，z)表示第j个多尺度基函数，nj(x，y，z)表示第j个有限元多项式基函数，φ(x，y，z)为相位函数，(x，y，z)表示空间坐标。
17、可以理解的是，nj(x，y，z)是依赖网格构建的有限元多项式基函数，与多个网格定义的局部基函数相关。gj(x，y，z)由nj(x，y，z)和相位函数共同构建。
18、在一些实施例中，所述边界条件包括：开域边界条件和入射边界条件；
19、所述开域边界条件为：
20、
21、所述入射边界条件为：
22、
23、其中，n为边界上的单位外法向量，为梯度算子，e为边界上的光场，i为虚数单位，为波数，λ为边界上的波长，e0为入射光场，kdir为入射光场的归一化方向，r为空间坐标。
24、在一些实施例中，采用有限元方法仿真折衍射光学系统在待光学仿真区域的光场分布，包括：
25、将所述边界条件代入由多尺度基函数得到的有限元弱形式中，得到折射区的光场矩阵方程：
26、ax＝b
27、其中，a为系数矩阵，第m行第j列元素ω为仿真区域，为梯度算子，*为共轭算符，gj和gm表示第j个和第m个多尺度基函数的简写，μr为相对磁导率，k0为真空波数，∈r为相对介电常数，γ1为开域边界，γ2为入射边界，k为波数，dv表示对区域积分，ds表示对边界积分；b为系数列向量，第m行元素x＝{xj}为折射区光场分布的系数；
28、待求光场分布e＝∑xjgj。
29、第二方面，本申请提供了一种折衍射光学系统的光学仿真装置，包括：
30、区域划分单元，用于基于折衍射光学系统的结构参数确定对应的衍射区和折射区；
31、衍射区仿真单元，用于结合折衍射光学系统的边界条件，采用有限元仿真得到衍射区的光场分布；
32、折衍射区匹配单元，用于利用完美匹配层将折射区的光场和相位与衍射区的光场和相位分别匹配；
33、折射区仿真单元，用于结合光场和相位的匹配情况，基于快速迭代算法和折衍射光学系统的结构参数获取折射区内光场的相位函数；采用有限元多项式基函数和折射区的相位函数构建折射区的多尺度基函数；以及基于折射区的多尺度基函数和折衍射光学系统的边界条件，采用有限元方法仿真得到折射区的光场分布。
34、在一些实施例中，所述折衍射区匹配单元采用的完美匹配层包括：衍射区的输出光场与折射区的输入光场匹配，衍射区的输出相位与折射区的输入相位匹配，并将衍射区的输出相位范围转换为大于0的非周期振荡相位范围。
35、在一些实施例中，所述折射区仿真单元构建的多尺度基函数为：
36、gj(x，y，z)＝nj(x，y，z)e-iφ(x，y，z)
37、其中，gj(x，y，z)表示第j个多尺度基函数，nj(x，y，z)表示第j个有限元多项式基函数，φ(x，y，z)为相位函数，(x，y，z)表示空间坐标。
38、第三方面，本申请提供一种电子设备，包括：至少一个存储器，用于存储程序；至少一个处理器，用于执行存储器存储的程序，当存储器存储的程序本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种折衍射光学系统的光学仿真方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述完美匹配层包括：衍射区的输出光场与折射区的输入光场匹配，衍射区的输出相位与折射区的输入相位匹配，并将衍射区的输出相位范围转换为大于0的非周期振荡相位范围。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述快速迭代算法根据波的传播原理模拟入射光在折射区中的传播过程，由初始波前计算传播到不同位置的波前变化，得到折射区内光场的相位函数；所述初始波前通过衍射区的输出光场确定。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多尺度基函数为：
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述边界条件包括：开域边界条件和入射边界条件；
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，采用有限元方法仿真折衍射光学系统在待光学仿真区域的光场分布，包括：
7.一种折衍射光学系统的光学仿真装置，其特征在于，包括：
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述折衍射区匹配单元采用的完美匹配层包括：衍射区的输出光场与折射区的输入
9.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述折射区仿真单元构建的多尺度基函数为：
10.一种电子设备，其特征在于，包括：
...【技术特征摘要】
1.一种折衍射光学系统的光学仿真方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述完美匹配层包括：衍射区的输出光场与折射区的输入光场匹配，衍射区的输出相位与折射区的输入相位匹配，并将衍射区的输出相位范围转换为大于0的非周期振荡相位范围。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述快速迭代算法根据波的传播原理模拟入射光在折射区中的传播过程，由初始波前计算传播到不同位置的波前变化，得到折射区内光场的相位函数；所述初始波前通过衍射区的输出光场确定。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多尺度基函数为：
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于...
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