繞射光學(xué)元件（DOE）和超表面/超穎透鏡在光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中越來越受歡迎，其應(yīng)用範(fàn)圍從手機(jī)鏡頭到AR / VR耳機(jī)，從3D傳感到照明。但是，對於包含 DOE 或超穎透鏡的系統(tǒng)進(jìn)行模擬和設(shè)計(jì)總是很棘手的。沒有通用的方法可以處理所有情況。設(shè)計(jì)人員需要根據(jù)具體情況決定其系統(tǒng)的策略。許多設(shè)計(jì)過程需要兩種不同的光學(xué)理論/算法來分別處理光束在自由空間和微結(jié)構(gòu)中的傳播，而其他一些過程僅使用純光線追跡來達(dá)到目標(biāo)。

由於模擬技術(shù)發(fā)展迅速，因此本文可能沒有涵蓋所有可用方法。如果用戶提供新訊息或有任何要求，請隨時(shí)與我們聯(lián)繫，我們可以相應(yīng)地更新本文。

在此文章中，我們首先簡要介紹一些可能的設(shè)計(jì)路線，並在MyZemax.com上提供完整的文章，其中提供有關(guān)自由空間和DOE /超穎透鏡中的相位分佈和傳播方法的概念的詳細(xì)訊息，以及為這些應(yīng)用程式定制的一些有用DLL。介紹了特殊的相位輪廓設(shè)計(jì)。

設(shè)計(jì)流程

1.1 相位 -> 微觀結(jié)構(gòu) -> 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

在此過程中，用戶首先使用光線追跡方法設(shè)計(jì)DOE /超穎透鏡所需的相位。然後根據(jù)給定的相位設(shè)計(jì)微結(jié)構(gòu)。圖1顯示了該過程的流程圖。該圖表未涵蓋設(shè)計(jì)的詳細(xì)訊息，例如，微觀結(jié)構(gòu)可以是傳統(tǒng)的閃耀光柵或現(xiàn)代的超穎透鏡。所需的設(shè)計(jì)和製造方法可能會(huì)有所不同，具體取決於微結(jié)構(gòu)的類型。

參考文獻(xiàn)[5]顯示了根據(jù)給定的相位輪廓生成閃耀光柵的範(fàn)例。它還討論了單點(diǎn)金剛石車床的製造。可以在我們的知識(shí)庫文章中找到用於生成閃耀光柵的巨集:如何使用巨集計(jì)算繞射光學(xué)元件的垂度。或者，參考文獻(xiàn)[3]顯示了如何使用Lumerical FDTD軟體為給定的相位曲線設(shè)計(jì)超穎透鏡。
這種方法的缺點(diǎn)是設(shè)計(jì)人員可能無法檢查整個(gè)系統(tǒng)的性能。例如，沒有辦法考慮所有繞射階數(shù)來檢查點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)（PSF）。類似地，儘管可以追蹤“非有效”的順序光線，但沒有計(jì)算出繞射效率，因此沒有辦法知道雜散光路中的功率比。

Figure 1 在OpticStudio中設(shè)計(jì) DOE /超穎透鏡的可能工作流程

1.2  相位 ->  微觀結(jié)構(gòu) ->用POP + FDTD驗(yàn)證

為了解決先前流程的缺點(diǎn)，即在製造之前無法模擬系統(tǒng)性能，可以使用物理光學(xué)傳播（POP）和 FDTD 來精確計(jì)算PSF。此方法主要由平面超穎透鏡設(shè)計(jì)人員使用。 Zemax OpticStudio不包括FDTD引擎，但是，參考文獻(xiàn)[3]顯示了在此過程中集成 Lumerical FDTD 和 Zemax OpticStudio的範(fàn)例。圖2突出顯示了此過程的概念。

當(dāng)系統(tǒng)僅包含單個(gè)超穎透鏡時(shí)，設(shè)計(jì)人員可以直接從Lumerical FDTD中的超穎透鏡上入射平面波前開始。將超穎透鏡之後的電場輸出導(dǎo)出為ZBF檔，然後將其進(jìn)一步導(dǎo)入OpticStudio POP中以評估最終的PSF。

但是，當(dāng)超穎透鏡置於透鏡之間並且入射光束不是平面波前時(shí)，設(shè)計(jì)人員可以使用POP中的平面波開始模擬。光束在POP中傳播到超穎透鏡的前端，並作為ZBF檔導(dǎo)出。然後將ZBF作為光源導(dǎo)入FDTD，並透過超穎透鏡進(jìn)行傳播。其餘過程與前面討論的相同。
該過程的一個(gè)缺點(diǎn)是，由於需要大量的計(jì)算資源，因此FDTD引擎無法處理大尺寸的鏡頭。而且，此方法只能在每個(gè)單獨(dú)的字段上模擬PSF。像圖像模擬或相對照明這樣的分析是不可能的。

Figure 2 工作流程的增強(qiáng)版本，如圖1所示。在製造之前，設(shè)計(jì)人員可以使用POP和FDTD來檢查最終的PSF。

1.3 參數(shù)化 DOE 矢高 -> 利用 FFT/Huygens PSF 光線追跡

除了使用相位輪廓來表示DOE之外，還可以直接在序列模式下對詳細(xì)的矢高進(jìn)行建模，並使用傳統(tǒng)的光線追跡引擎設(shè)計(jì)DOE並進(jìn)行FFT和Huygens PSF之類的分析。此方法僅在DOE的特徵尺寸不太接近波長尺度（矢量繞射效果很強(qiáng)）時(shí)才有效。因此，該方法不適用於超穎透鏡。參考文獻(xiàn)[4]中討論了一個(gè)很好的例子，其中DOE矢高由產(chǎn)生像菲涅耳 (Fresnel)透鏡的閃耀結(jié)構(gòu)的方程式描述。

除了功能大小的限制之外，此方法的另一個(gè)缺點(diǎn)是設(shè)計(jì)人員可能仍需要定制一些工具來增強(qiáng)OpticStudio提供的功能。例如，如參考文獻(xiàn)[4]中所述，目前尚無原生序列表面支撐起泡的下垂。用戶需要?jiǎng)?chuàng)建自己的序列表面DLL來建模唯一的表面下垂。此外，當(dāng)前OpticStudio不支援在例如Y-Z平面上顯示橫截面PSF。如參考文獻(xiàn)[4]中所述，需要一個(gè)巨集來掃描不同Z位置的PSF並創(chuàng)建圖。

1.4 參數(shù)化 DOE 矢高-> POP

像上述方法一樣，可以透過在OpticStudio中對二進(jìn)制矢高建模來模擬菲涅耳波帶片。但是，對於這種類型的DOE，光線追跡引擎將無法正常工作。垂直入射到DOE上的光線不會(huì)改變其方向，因?yàn)楸砻鏇]有傾斜。但是，垂直入射的光束可以用適當(dāng)設(shè)計(jì)的菲涅耳波帶片聚焦。此效果應(yīng)由OpticStudio中的POP處理。

如圖3所示，在該系統(tǒng)中，準(zhǔn)直光束入射在玻璃板上。在玻璃板的背面，已使用菲涅耳波帶片表面類型創(chuàng)建了同心二元結(jié)構(gòu)。在布局圖視窗中，您可以看到光線沒有改變其傳播方向，並且光束保持準(zhǔn)直，從物件到成像表面?zhèn)鞑ァ?/p>

注意，採用這種結(jié)構(gòu)，透鏡的最大允許直徑可能嚴(yán)格取決於入射光束的相干程度和透鏡焦距。本文將不討論設(shè)計(jì)帶區(qū)透鏡的原理。

Figure 3 菲涅耳波帶片系統(tǒng)佈局圖

但是，如果現(xiàn)在使用POP分析建模相同的情況，則將觀察到光束開始聚焦在成像表面上，如圖4所示。在這裡，我們從束腰尺寸為2.6 mm的高斯光束開始並將光束聚焦下降到束腰約0.4毫米的斑點(diǎn)。此範(fàn)例說明只能使用POP模擬這種類型的結(jié)構(gòu)。

Figure 4 菲涅耳波帶片在成像平面上的 POP結(jié)果。

請注意，POP基於標(biāo)量繞射理論，因此不適用於特徵尺寸通常為次波長的超穎透鏡。

有興趣嘗試在OpticStudio中設(shè)計(jì)DOE或超穎透鏡嗎？請查看OpticStudio產(chǎn)品頁面以了解更多訊息並獲得免費(fèi)試用版。

參考文獻(xiàn):

[1] Chen, W.T., Zhu, A.Y. & Capasso, F. Flat optics with dispersion-engineered metasurfaces. Nat Rev Mater 5, 604–620 (2020). https://doi.org/10.1038/s41578-020-0203-3
[2] Faraji-Dana, M., Arbabi, E., Arbabi, A. et al. Compact folded metasurface spectrometer. Nat Commun 9, 4196 (2018). https://doi.org/10.1038/s41467-018-06495-5
[3] https://support.lumerical.com/hc/en-us/articles/360042097313-Metalens-Zemax-Interoperability
[4] Anna Nemes-Czopf, Dániel Bercsényi, and Gábor Erdei, "Simulation of relief-type diffractive lenses in ZEMAX using parametric modelling and scalar diffraction," Appl. Opt. 58, 8931-8942 (2019)
[5] RIEDL, Max J., “Diamond-turned diffractive optical elements for the infrared: suggestions for specification standardization and manufacturing remarks”, SPIE Vol 2540 / 257

 

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