本发明激光加工及计算光学，更具体地，涉及一种用于生成高鲁棒性平顶光斑的全息图方法及系统。
背景技术：
1、在激光加工、光学成像、材料处理等领域，平顶光斑因具有均匀的光强分布，能有效提升加工精度、成像质量和处理效率，成为重要的光学目标形态。生成平顶光斑的传统方法多依赖全息图技术，通过设计衍射光学元件来调控入射光场，使特定平面形成预期的光斑分布。
2、高斯光经普通光斑整形器件修正后形成的平顶光，仅在透镜焦点处表现出较好的均一性和完整的结构，而在透镜焦点前后两个区域呈现光强更高的焦点状分布，这不利于实际生产中对使用区域的正确定位。现有技术中，多数方法仅针对单一焦平面进行优化，通过傅里叶变换等手段计算光场分布并设计对应的衍射光学元件相位。这种单平面优化方式虽能在目标平面获得较好的平顶效果，但对离焦区域的光场均匀性缺乏控制能力。当实际应用中存在微小的离焦偏差时，光斑均匀性会显著下降，鲁棒性不足，难以满足高精度场景的需求。
3、传统的全息图算法同样存在局限，其只能在透镜焦点处形成均匀性好的平顶光，而在焦点前后区域，透镜的自然聚焦效应重新占据主导，导致光强分布向中心汇聚，呈现焦点状。这一特性不仅不利于区域的定位，还使得光斑整形器件在实际使用中对准容差较低，增加了器件的使用难度。同时，传统算法在迭代优化过程中，对各平面的优化权重分配较为简单，通常采用均等权重或经验性权重，无法根据不同平面的光场分布质量动态调整优化力度。这导致光场均匀性较差的区域得不到充分优化，整体收敛速度慢，且最终生成的光斑在空间范围内的稳定性不足，限制了其在更广泛领域的应用。
技术实现思路
1、本发明旨在解决传统方法生成的平顶光斑仅在透镜焦点处有较好均一性，焦点前后呈焦点状分布，不利于定位，且对准容差低、使用难度大的问题，同时改善传统算法优化权重分配简单、收敛慢、空间稳定性不足的局限，提供一种能提升光斑整形器件对准容差、降低使用难度，且生成的平顶光斑在一定空间范围内均具高鲁棒性的全息图方法。
2、针对现有技术的以上缺陷或改进需求，作为本发明的第一方面，本发明提供一种用于生成高鲁棒性平顶光斑的全息图方法，包括：
3、s1.完成仿真参数配置以及输入光场初始化；在输入参数时指定以原焦平面为中心的一段指定长度的优化区域，并以原焦点为中心沿光轴方向，等间距选取个平面，作为附加的优化目标；
4、s2.对输入光场进行傅里叶变换得到；在完成原焦平面光场分布计算时，同时完成额外优化平面上光场分布的计算；对包括原焦点平面和新增平面在内的所有优化平面施加相同的目标约束条件，约束仅作用于反向传播时替换的振幅且各约束面独立；由原焦点向其他约束面传播，计算并优化所有已正向传播焦点的光场分布；
5、s3.计算所有约束面向原焦点传播的光场分布；当所有反向传播计算完成后，再计算所有反向传播的光场分布的逆傅里叶变换，得到输入光场，计算输入光场的平均值并保留相位值；
6、s4.再用初始的高斯分布替换振幅分布后得到新一轮的输入光场，再次完成s2以及s3，直至达到预设的迭代次数阈值或满足收敛条件时，输出最终优化得到的doe相位分布值。
7、进一步地，所述s1中仿真参数包括：仿真场的大小、doe大小、doe精度、输入光大小、仿真精度、波长、焦斑大小以及焦斑间距。
8、进一步地，所述s2中额外优化平面上光场分布的计算方法为：
9、已知原焦平面的光场复振幅分布，其中为该平面的坐标；
10、设定附加优化平面与原焦平面沿光轴方向的距离为，目标平面坐标为；
11、依据瑞丽-索莫菲近似的衍射积分公式，计算目标平面的光场复振幅分布，计算式如下：
12、
13、其中，为光的波长；为波数；为源点到观察点的距离；为与光轴的夹角；为虚数单位；通过数值积分方法求解上述积分进而计算出附加优化平面的光场分布。
14、进一步地，所述s2中目标约束条件具体为：
15、设第个优化平面的实际光场振幅分布为；所述优化平面包括原焦点平面和新增平面；理想的平顶光振幅分布为，为常数，代表平顶光的均匀振幅值；对第个优化平面，施加独立约束：
16、
17、在迭代优化流程里，反向传播计算输入光场后，针对每个约束面，依据上式对替换的振幅进行调整，推动实际光场振幅逐步逼近，各面独立执行该约束。
18、进一步地，所述s2中计算并优化所有已正向传播焦点的光场分布的具体过程为：
19、对输入光场进行傅里叶变换，得到原焦平面光场分布；
20、基于基尔霍夫衍射理论，将原焦平面光场沿光轴传播至各附加约束面，得到每个约束面的实际光场复振幅分布，传播公式为：
21、
22、其中，，为波数；
23、设定理想平顶光振幅为常数，通过最小化差异函数，使实际振幅趋近理想分布；计算各平面均一性，并根据实际光场和目标光场的差值计算修正权重矩阵。
24、进一步地，所述均一性的计算公式为：
25、
26、其中，为第个平面上光场的均一性指标；为第个平面上光场复振幅的模分布；为光场振幅的最大强度值；为光场振幅的最小强度值。
27、进一步地，所述根据实际光场和目标光场的差值计算修正权重矩阵的具体方法为：
28、
29、其中，为目标光场振幅均值；为实际光场振幅，为调节系数。
30、进一步地，所述s4中收敛条件为平均均一性不小于0.99，所述平均均一性的计算公式如下：
31、
32、其中，为所有平面的平均均一性；为平面总数；为第个平面的光场均一性。
33、作为本发明的第二方面，本发明提供一种用于生成高鲁棒性平顶光斑的全息图系统，包括：
34、参数配置及优化目标选取单元，用于完成仿真参数配置以及输入光场初始化；在输入参数时指定以原焦平面为中心的一段指定长度的优化区域，并以原焦点为中心沿光轴方向，等间距选取个平面，作为附加的优化目标；
35、正向传播及优化单元，用于对输入光场进行傅里叶变换得到；在完成原焦平面光场分布计算时，同时完成额外优化平面上光场分布的计算；对包括原焦点平面和新增平面在内的所有优化平面施加相同的目标约束条件，约束仅作用于反向传播时替换的振幅且各约束面独立；由原焦点向其他约束面传播，计算并优化所有已正向传播焦点的光场分布；
36、反向计算输入场单元，用于计算所有约束面向原焦点传播的光场分布；当所有反向传播计算完成后，再计算所有反向传播的光场分布的逆傅里叶变换，得到输入光场，计算输入光场的平均值并保留相位值；
37、迭代输出相位值单元，用于再用初始的高斯分布替换振幅分布后得到新一轮的输入光场，再次完成正向传播及优化单元以及反向计算输入场单元处理，直至达到预设的迭代次数阈值或满足收敛条件时，输出最终优化得到的doe相位分布值。
38、作为本发明的第三方面，本发明提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行所述的一种用于生成高鲁棒性平顶光斑的全息图方法的任一步骤。
39、总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
40、1.本发明的用于生成高鲁棒性平顶光斑的全息图方法,通过在仿真参数配置阶段指定以原焦平面为中心的优化区域，并沿光轴等间距选取附加优化平面，实现了多平面协同调控的基础布局。这一技术特征打破了单一焦平面优化的局限，让光场调控范围从单点扩展到一段空间区域，使后续优化能同时兼顾原焦平面与多个附加平面的光场特性，为生成在空间范围内具有稳定平顶特性的光斑提供了结构支撑，避免了仅优化单平面可能导致的离焦区域光场均匀性下降的问题。
41、2.本发明的用于生成高鲁棒性平顶光斑的全息图方法,通过在反向传播后对光场分布进行逆傅里叶变换得到输入光场，并保留其相位信息，同时用初始高斯分布替换振幅分布以更新输入光场。这一技术特征实现了光场相位信息的有效传递与振幅分布的规范重置，既保留了前序优化对相位的调整成果，又通过固定振幅分布维持了输入光场的基本形态稳定性，使迭代过程能在有序更新中逐步逼近目标，确保了优化过程的连贯性与有效性。