VirtualLab運用：優化衍射擴散反射鏡以生成任意的光圖案
Scenario 573（1.0）
相關案例：DO.003，545
相關教程：VirtualLab Fusion-基本工具箱，衍射光學工具箱
1.摘要
?這個示例演示了優化衍射擴散器以在遠場生成任意光圖樣。通過迭代傅里葉變換算法（IFTA）來優化反射鏡表面輪廓。
?優化過程分為三個步驟。
-應用IFTA優化一個透射衍射擴散器的透過率函數。
-基于透過率函數來計算反射鏡的反射函數。
-計算反射鏡的高度輪廓。
?在學習和使用此案例之前，我們建議你首先閱讀應用案例545。
2.模擬任務
衍射擴散器反射鏡
相位級次：2
直徑：5.75×5mm
照明光束參數
波長：532nm
激光光束直徑（1/e2）：1.1mm
期望輸出場參數
位圖文件：Sc573_Diffuser_Mirror_Pattern_Generation_01.jpg
圖案直徑：400×187mm
光軸偏移：0×100mm
效率：>25%
分辨率約： 700×700um
3.設計步驟1-設計透過率函數
?優化投射擴散器的透過率函數。
?假設擴散器和目標屏之間是遠場系統。
開始擴散器設計
選擇Diffractive optics-Pattern Generating Diffuser
進入擴散器設計會話編輯界面
指定高斯光束束腰以及發散角的定義類型
確定高斯光束的波長及束腰直徑
指定近軸遠場作為光學系統
確定近軸遠場距離
通過Import導入準備好的.jpg圖片，并指定圖案尺寸400mmx187mm
?使用IFTA優化二元擴散器透過率函數。
?IFTA優化文檔可以通過圖樣生成擴散器會話編輯器生成。
?期望光圖樣可以由jpg文件導入。
?由于一個二元透過率函數總是會生成一個孿生像，因此必須對二元透過率進行優化，即在y方向上進行離軸，以使孿生像分開。
?請參考Sc573_Diffuser_Mirror_Pattern_Generation_02.seditor。
指定相位階次：一個二階相位級次
?IFTA優化文檔Sc573_Diffuser_Mirror_Pattern_Generation_03.dp
?像素大小：830nm×800nm
?單周期像素數：2271×2355
?周期：1.9mm×1.9mm
光學系統：Sc573_Diffuser_Mirror_Pattern_Generation_04.lpd
4.設計步驟2-反射鏡反射函數
?衍射擴散器反射鏡的反射函數可以由擴散器透過率函數計算得到。
?反射函數與透射函數一樣，但為了得到類似的衍射角必須在旋轉方向上拉伸：
→像素大小的變化：
反射函數像素大小
透射函數像素大小
5.設計步驟3-反射鏡高度輪廓
?這個案例演示了如何設計一個微結構反射鏡的光學函數。
?加工微結構反射鏡需要的是其表面高度輪廓，而不是一個光學函數。下面將解釋如何計算一個給定的光學函數的微結構反射鏡的表面高度輪廓。
?VirtualLab基于薄元近似結構設計來計算的表面輪廓。
計算反射鏡的表面輪廓
?使用光學函數或加載文件Sc573_Diffuser_Mirror_Pattern_Generation_05以激活“Design”工具
?開始VirtualLab結構設計（Design→Structure Design）
?選擇反射鏡的高度輪廓（Height Profile of Mirror），并且輸入設計波長。
?VirtualLab假設入射光正入射，以此計算反射鏡的高度輪廓。
?表面高度必須在第二步糾正，由于光程長度將稍微不同于30°的入射角。
? 將計算光學函數每個采樣點的表面高度輪廓。
? 應該選擇最近鄰插值來允許VirtualLab重建包含矩形像素的表面輪廓。
? 必須使用實施量化（Enforce Quantization）的選項來指定高度量級。
計算鏡表面剖面
?VirtualLab計算鏡的高度剖面，假設垂直入射光。
?由于實際上反射鏡必須與30°的入射光相互作用，因此必須使用一個更大的高度輪廓。
?與垂直入射相比，高度輪廓必須按1/cos（α）比例進行縮放。
?α是入射角。
?雙擊生成包含反射鏡的雙界面元件。
?反射鏡表面由采樣界面模擬。
?點擊Edit按鈕。
?選擇Scaling 窗口并且輸入在z方向的縮放
?調整反射鏡的孔直徑和形狀來滿足您的需求。
?關于如何以各種格式，例如GDSII，CIF，bitmap，ASCII等導出采樣表面，請參見教程144.01。
6.結論
?VirtualLab Fusion可以設計反射衍射擴散器來生成幾乎任意2D光圖樣。
?設計分三個步驟完成：
-設計和優化擴散器透過率函數
基于透過率函數計算反射鏡的反射函數
-計算反射鏡的高度輪廓
?微結構鏡的表面剖面可以以各種數據格式導出。
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