申请/专利权人：大连理工大学

申请日：2024-03-22

公开（公告）日：2024-05-17

公开（公告）号：CN118050838A

主分类号：G02B5/18

分类号：G02B5/18;G02B27/00

优先权：

专利状态码：在审-实质审查的生效

法律状态：2024.06.04#实质审查的生效;2024.05.17#公开

摘要：本发明属于信息科学技术领域，涉及一种增强光场均匀性的高透光率光栅拓扑优化方法。包括：1建立物理光学控制方程，结合光栅场均匀性数学函数表达式的构造，以实现光场的均匀分布；2建立约束函数，满足了光栅设计的透光性要求；3采用Helmholtz过滤方程对设计变量进行过滤，以平滑光栅拓扑结构的材料分布；4通过添加Heaviside函数进行投影操作来解决过滤引入的灰度问题，使设计变量逐渐趋向{‑1,1}；5处理设计变量插值为光栅的材料函数；6建立优化设计模型。本发明通过构建合理的参数化模型，将光栅设计问题转化为材料拓扑的连续性优化问题，适用于基于梯度的算法进行求解，从而找到了在透光性和场均匀性之间达到平衡的最优设计结果。

主权项：1.一种增强光场均匀性的高透光率光栅拓扑优化方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤1：确定待设计光栅物理场分析模型；定义待求解的因变量E1，称为包络函数；运用波束包络法建立如下所示物理光学控制方程： 其中，E1表示振幅，φ1表示相位，μr表示光传输介质的相对磁导率，∈r表示光传输介质的相对介电常数，∈0真空的介电常数8.854187817×10-12Fm，σ表示光传输介质的电导率，ω表示角频率，k0为电磁波波数；步骤2：为实现优化设计目标，需要构造表征光栅场均匀性的数学函数表达式；光场的相量表示为定义设计变量θ和光栅设计域Ωdesign，且θ∈Ωdesign；通过建立目标函数最小化透射光在各点的光矢量场差距，实现光场的均匀分布： 其中，Eθ表示光栅透射光各点的电场，Eavgθ表示光栅透射光各点的平均电场；步骤3：所述步骤2中设计变量θ的取值范围为0到1之间连续性变化，0表示该位置应设计为空气材料；1表示该位置应设计为光栅介质材料；步骤4：为满足一定的透光性要求，需要设置约束函数来限制光入射光栅前后的光通量；根据电磁场坡印廷矢量，光通量表示为：则约束方程可表达为： 其中，ldown表示透光率约束的下限，lup表示透光率约束的上限，Poutθ表示输出通过光栅的光通量，Pinθ表示输入进入光栅的光通量，光通量中Bθ表示各点的磁场，Eθ表示各点的电场，μ0表示真空磁导率4π×10-7NA2；步骤5：建立Helmholtz过滤方程对设计变量θ进行过滤，以平滑光栅拓扑结构的材料分布，方程的函数图像如图1所示，所得到的经过滤后设计变量θf为： 其中，Rmin表示为过滤半径，一般取值为rmesh表示为设计变量网格的最小半径；步骤6：所述步骤5中，Helmholtz过滤的加入会使新的设计变量θf取到{0,1}以外的中间值时，设计结果将出现不满足实际物理意义的光栅设计情况，因此在目标函数中添加Heaviside函数对设计变量进行投影操作，迫使θf在优化设计进程中逐渐趋向{0,1}；Heaviside函数的函数体香如图2所示，所得到的新设计变量θp为： 其中，β表示投影斜率，通过调整β可以改变设计变量趋向{0,1}的速度，η表示投影阈值，一般取值为0.5；步骤7：所述步骤5、6，经过处理后的设计变量θp需要插值为光栅的材料函数，进行优化求解；所插值的材料参数为相对介电常数∈r，则插值函数∈rθp为：∈rθp＝tan-1∈r,air+tan-1∈r,silicon-tan-1∈r,air×θp20其中，∈r,air表示空气的相对介电常数，取值为1；∈r,silicon表示光栅材料的相对介电常数；步骤8：将所述步骤5-7对设计变量的处理放入优化列式中，在对应的优化问题中，定义目标函数为最小，约束条件为设计变量满足上下限，建立优化模型如下： 其中，θv表示插入到物理场进行解析计算的相对介电常数；步骤9：计算目标函数关于设计变量的一阶导数，采用MMA算法更新设计变量，完成对光栅的设计。

全文数据：

权利要求：

百度查询： 大连理工大学 一种增强光场均匀性的高透光率光栅拓扑优化方法

免责声明
1、本报告根据公开、合法渠道获得相关数据和信息，力求客观、公正，但并不保证数据的最终完整性和准确性。
2、报告中的分析和结论仅反映本公司于发布本报告当日的职业理解，仅供参考使用，不能作为本公司承担任何法律责任的依据或者凭证。

阅读全文 双屏查看 官方信息 专利公告 收藏专利 下载PDF 下载WORD