計(jì)算機(jī)光學(xué)元件的混合編程軟件設(shè)計(jì)

摘 要：設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)光學(xué)元件混合編程軟件對(duì)光學(xué)領(lǐng)域發(fā)展具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義，本文首先對(duì)計(jì)算機(jī)光學(xué)和混合編程方法進(jìn)行了簡單介紹，然后對(duì)計(jì)算機(jī)光學(xué)元件混合編程設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)論述。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)光學(xué)元件；混合編程；軟件設(shè)計(jì)

電磁波作為光學(xué)領(lǐng)域中最常應(yīng)用的一種射線，在實(shí)際應(yīng)用中，由于需要的不同往往需要對(duì)光場分布方式進(jìn)行改變，以達(dá)到應(yīng)用目的。這就需要有一種科學(xué)有效的方法來對(duì)電磁波光場進(jìn)行改變。有關(guān)實(shí)踐證明，利用計(jì)算機(jī)光學(xué)元件對(duì)電磁波場分布進(jìn)行改變往往能夠達(dá)到較高的效果。但由于傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)光學(xué)元件設(shè)計(jì)算法運(yùn)算精度低，因而需要對(duì)現(xiàn)有計(jì)算機(jī)光學(xué)元件進(jìn)行改進(jìn)，以提高軟件運(yùn)行效率。

1 計(jì)算機(jī)光學(xué)概述

計(jì)算機(jī)誕生后，在計(jì)算機(jī)的長期應(yīng)用過程中，技術(shù)研究人員與科學(xué)家們自然而然的將光學(xué)元件應(yīng)用到計(jì)算機(jī)當(dāng)中來制造光計(jì)算機(jī)。在此背景下，計(jì)算機(jī)光學(xué)理論形成。隨著對(duì)光計(jì)算機(jī)研究的不斷深入，目前已產(chǎn)生多種計(jì)算機(jī)光學(xué)分析方法。其中，較為有效的方法就是計(jì)算機(jī)光學(xué)元件。但計(jì)算機(jī)光學(xué)元件設(shè)計(jì)在光學(xué)領(lǐng)域?qū)儆谝粋€(gè)逆向問題，設(shè)計(jì)難度極大[ 1 ]。所謂逆向問題，指的是對(duì)成像系統(tǒng)中已知的入射場和出射場分布形式，計(jì)算出相應(yīng)元件平面上的相位浮雕高度，從而保證能夠?qū)ζ淙肷洳▓龇植歼M(jìn)行正確調(diào)制，并給出期望光場分布。在科技不斷進(jìn)步與相關(guān)理論不斷成熟的推動(dòng)作用下，計(jì)算機(jī)光學(xué)元件設(shè)計(jì)理論取得了實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展，標(biāo)量衍射理論、幾何理論和矢量理論是目前較為成熟且使用較多的三種理論。在計(jì)算機(jī)光學(xué)元件混合編程軟件設(shè)計(jì)過程中，依據(jù)這些理論對(duì)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以為其提供相應(yīng)的理論支持與依據(jù)。

2 混合編程方法

要想設(shè)計(jì)出計(jì)算機(jī)光學(xué)元件混合編程軟件，就需要采用相應(yīng)的方法來實(shí)現(xiàn)多種編程語言的混合編程。目前，混合編程的實(shí)現(xiàn)主要有兩種方法，即利用動(dòng)態(tài)連接庫和目標(biāo)文件。動(dòng)態(tài)連接庫方法，是指將FORTRAN程序構(gòu)成動(dòng)態(tài)連接庫之后，通過VC++編程軟件對(duì)其進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)用，從而實(shí)現(xiàn)兩種語言的混合編程[ 2 ]。目標(biāo)文件方法是指，首先在FORTRAN和VC++各自的編程環(huán)境下編寫程序生成對(duì)應(yīng)的目標(biāo)文件，然后利用相關(guān)技術(shù)將兩種語言程序的目標(biāo)文件連接起來，生成在VC++環(huán)境下可執(zhí)行程序，這種程序即為混合編程程序。根據(jù)計(jì)算機(jī)光學(xué)元件軟件設(shè)計(jì)要求與應(yīng)用場合，本文采用目標(biāo)文件法來對(duì)計(jì)算機(jī)光學(xué)元件混合編程軟件的混合編程部分進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3 計(jì)算機(jī)光學(xué)元件混合編程軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件開發(fā)環(huán)境與設(shè)計(jì)目標(biāo)

為實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)光學(xué)元件混合編程軟件的可視化，本文采用FORTRAN90和VC++6.0兩種編程軟件來開發(fā)計(jì)算機(jī)光學(xué)元件混合編程軟件。在FORTRAN編譯環(huán)境中，源程序文件擴(kuò)展名為.f90，在VC++編譯環(huán)境中，源程序文件擴(kuò)展名為.cpp?；旌暇幊逃肰C++軟件來調(diào)用VC目標(biāo)文件和FORTRAN目標(biāo)文件實(shí)現(xiàn)。需要注意的是，要想實(shí)現(xiàn)兩種不同編程語言的混合調(diào)用，就需要保證兩種語言擁有相同的調(diào)用約定[ 3 ]。STDCALL是VC++和FORTRAN軟件擁有的相同程序調(diào)用約定，因而可以采用該約定。另外，用VC調(diào)用FOR程序時(shí)，必須用extern對(duì)FOR函數(shù)進(jìn)行說明，強(qiáng)調(diào)該函數(shù)為一個(gè)外部函數(shù)，并且extern的位置必須放在所有被調(diào)用函數(shù)之前。

為增強(qiáng)軟件數(shù)據(jù)處理功能，采用MATLAB可視化軟件為元件圖樣處理過程中的矩陣、數(shù)據(jù)分析以及其他數(shù)據(jù)處理提供強(qiáng)大的數(shù)據(jù)計(jì)算功能，以提高程序運(yùn)行效率與數(shù)據(jù)計(jì)算精確性，保障軟件運(yùn)行具有良好的穩(wěn)定性與可靠性。不僅如此，利用該可視化軟件還能夠促進(jìn)VC與FOR軟件各自優(yōu)點(diǎn)充分發(fā)揮。

根據(jù)計(jì)算機(jī)光學(xué)元件改變光波、微波、電磁波等各種光場分布這一作用，所設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)光學(xué)元件混合編程軟件需要實(shí)現(xiàn)以下幾項(xiàng)功能：第一，應(yīng)用程序能夠提供計(jì)算所需初始相位分布圖樣，即對(duì)任意目標(biāo)圖樣（圖像數(shù)據(jù)）元件相位分布初始值的輸入，軟件都能夠進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算，從而為程序運(yùn)行后期通過GS算法來實(shí)現(xiàn)對(duì)計(jì)算機(jī)光學(xué)元件的模擬設(shè)計(jì)提供所需必要數(shù)據(jù)。第二，軟件應(yīng)具有驗(yàn)證功能，即能夠?qū)τ?jì)算出的光學(xué)元件設(shè)計(jì)參數(shù)模擬出的實(shí)際光束經(jīng)相位補(bǔ)償后得到的圖樣與實(shí)際光束圖樣進(jìn)行對(duì)比。第三，采用透射式計(jì)算機(jī)光學(xué)元件對(duì)混合編程軟件設(shè)計(jì)過程進(jìn)行模擬，以實(shí)現(xiàn)任意目標(biāo)圖樣（數(shù)據(jù)）的模擬設(shè)計(jì)，進(jìn)而得出光學(xué)元件相應(yīng)的設(shè)計(jì)參數(shù)和相關(guān)圖樣數(shù)據(jù)文件，并能夠繪制出元件的相位浮雕高度圖樣。設(shè)計(jì)出的計(jì)算機(jī)光學(xué)元件混合編程軟件操作界面應(yīng)友好大方，方便用戶執(zhí)行各種操作，且執(zhí)行效率高。此外，軟件還應(yīng)具備數(shù)據(jù)瀏覽功能，使用戶可以方便快捷的瀏覽各種所需數(shù)據(jù)。整體而言，計(jì)算機(jī)光學(xué)元件混合編程軟件設(shè)計(jì)應(yīng)能夠較好的滿足實(shí)際應(yīng)用中用戶所需各項(xiàng)基本功能。

3.2 計(jì)算機(jī)光學(xué)軟件混合編程設(shè)計(jì)流程

首先，由用戶選擇預(yù)期的數(shù)據(jù)文件，即光學(xué)圖樣，并輸入初始參數(shù)，然后對(duì)輸入的初始參數(shù)進(jìn)行判斷。若正確顯示出入射光斑和期望圖形，然后進(jìn)行迭代計(jì)算，并保存產(chǎn)生的中間數(shù)據(jù)，經(jīng)一系列計(jì)算后顯示出系統(tǒng)模擬的元件模擬圖樣、相位浮雕高度圖樣以及迭代的次數(shù)。最后進(jìn)行驗(yàn)證，并將驗(yàn)證結(jié)果圖形顯示出來，供用戶瀏覽，最終完成計(jì)算機(jī)光學(xué)元件混合編程的設(shè)計(jì)。

4 總結(jié)

總而言之，計(jì)算機(jī)光學(xué)是光學(xué)領(lǐng)域發(fā)展的一種重要新興科目，也是計(jì)算機(jī)技術(shù)與光學(xué)技術(shù)有效融合的一個(gè)重要紐帶。設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)高集成化、高衍射效率、高運(yùn)算精度、自由靈活、輕巧小型的計(jì)算機(jī)光學(xué)元件混合編程軟件，對(duì)推動(dòng)光學(xué)技術(shù)與光計(jì)算機(jī)進(jìn)一步發(fā)展具有重要的意義和影響。設(shè)計(jì)人員應(yīng)對(duì)現(xiàn)有軟件算法進(jìn)行不斷優(yōu)化，不斷提高軟件整體工作性能，努力克服計(jì)算機(jī)光學(xué)元件設(shè)計(jì)中的各種難題。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡介：王雨農(nóng)（1994-），男，內(nèi)蒙古包頭人，專業(yè)或研究方向：計(jì)算機(jī)。