消色差透鏡
關(guān)注創(chuàng)建者：墨光科技 創(chuàng)建時間：2020-07-27
消色差透鏡的實(shí)例教程
消色差(achromatic)透鏡由具有不同色散能力的兩個透鏡組成，可將兩個不同波長的光聚焦到同一點(diǎn)，從而在一定波長范圍內(nèi)達(dá)到消色差效果。
復(fù)消色差(apochromatic) 透鏡可以認(rèn)為是消色差透鏡的改進(jìn)版，色偏移曲線是三次方程，可將三個不同波長的光聚焦到一點(diǎn)，使消色差的波長范圍提升數(shù)倍，見圖1。
圖1：X射線復(fù)消色差聚焦原理：折射透鏡和菲涅爾波帶片以特定間隔前后放置，色差相互糾正，三種不同的能量/波長的X射線可同時聚焦于點(diǎn)F。
在可見光領(lǐng)域，消色差和復(fù)消色差透鏡存在已有百年之久。而在X射線領(lǐng)域，直到2022年世界上首個消色差透鏡才剛剛問世。本文報(bào)道了該研究團(tuán)隊(duì)在消色差透鏡的工作基礎(chǔ)上，使用滿足特殊條件的菲涅爾波帶片 (FZP) 和復(fù)合折射透鏡 (CRL)，成功研制的世界上首個X射線復(fù)消色差透鏡系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)顯示，該復(fù)消色差透鏡在7 keV到12 keV的能量范圍內(nèi)表現(xiàn)出良好的消色差效果，相比消色差透鏡，消色差范圍提高了四倍，可以更廣泛地應(yīng)用于折射和衍射透鏡的色差校正。
該研究開發(fā)的復(fù)消色差X射線透鏡系統(tǒng)由兩個相互獨(dú)立的光學(xué)元件組成：一個是雙光子聚合3D打印技術(shù)制造的復(fù)合折射透鏡，另一個是通過電子束光刻和金電鍍制造的菲涅爾波帶片，見圖2。
圖2. X射線復(fù)消色差透鏡的組成部分。a）3D打印的發(fā)散型CRL置于250納米厚的氮化硅膜上的光學(xué)顯微鏡圖像；b）復(fù)合折射透鏡和c）45度視角的波帶片的掃描電子顯微鏡圖像；d）復(fù)合折射透鏡（左下角）與火柴棒的對比。
展開 SYNOPSYS 消色差透鏡
概述
? 如何添加元件
? 如何在Worksheet中修改表面
? 如何優(yōu)化
? 評價函數(shù)的選擇
? 優(yōu)化命令的含義
? 優(yōu)化中心厚度
? 自定義命令字符
? 玻璃庫菜單(MGT)? 保存
設(shè)置工作目錄
選擇擇Dbook 工作目錄
打開編輯器
在Command Window中輸入以下命令EE 這條命令將打開Excellent Editor, 如下所示
二維圖
FETCH C5L1,點(diǎn)擊SketchPAD按鈕
顯示二維圖
添加元件
點(diǎn)擊checkpoint 按鈕 設(shè)定還原點(diǎn)，以便得不到理想結(jié)果時，點(diǎn)擊 可返回到還原點(diǎn)、點(diǎn)擊worksheet 按鈕 執(zhí)行以下命令、 點(diǎn)擊 “Insert Element” 按鈕 添加元件
修改表面3
點(diǎn)擊表面 3, 在WorkSheet中輸入以下命令 3 GLM 1.6 44
GLM的意思是用玻璃模型公式估計(jì)正常 玻璃的部分色散，1.6是玻璃折射率，44 是阿貝數(shù)或色散系數(shù)。
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概述
如何添加元件
如何在Worksheet中修改表面
如何優(yōu)化
評價函數(shù)的選擇
優(yōu)化命令的含義
優(yōu)化中心厚度
自定義命令字符
玻璃庫菜單(MGT)
保存透鏡
設(shè)置工作目錄
選擇Dbook工作目錄
參考Donald Dilworth《Lens Design Automatic and quasi-autonomous computational methods and techniques》第6章
打開編輯器
在Command Window中輸入以下命令EE
這條命令將打開Excellent Editor, 如下所示
二維圖
FETCH C5L1
點(diǎn)擊SketchPAD按鈕 顯示二維圖
添加元件
點(diǎn)擊checkpoint 按鈕 設(shè)定還原點(diǎn)，以便得不到理想結(jié)果時，點(diǎn)擊 可返回到還原點(diǎn)。
點(diǎn)擊worksheet 按鈕 執(zhí)行以下命令
點(diǎn)擊 “Insert Element” 按鈕 添加元件
點(diǎn)擊PAD上的單透鏡后面添加第二個元件
修改表面3
點(diǎn)擊表面3, 在WorkSheet中輸入以下命令 3 GLM 1.6 44。
GLM的意思是用玻璃模型公式估計(jì)正常玻璃的部分色散，1.6是玻璃折射率，44是阿貝數(shù)或色散系數(shù)。介質(zhì)的折射率越大，色散越厲害，阿貝數(shù)越小；反之，介質(zhì)的折射率越小，色散越不明顯，阿貝數(shù)越大。
點(diǎn)擊‘Update’ 按鈕
修改表面4
點(diǎn)擊表面4, 在WorkSheet中輸入以下命令 4 UMC -.125 YMT 。
UMC意思是角度求解，-.125是所需角度的tan值，也是1/(2FNUM)，所以F/number為4。
展開 消色差透鏡的理論表明選擇的三種玻璃不能在圖中 一條直線上，必須成三角形，面積越大越好。
N-SK4玻璃特性
點(diǎn)擊Properties按鈕
N-SK4玻璃不是那么穩(wěn)定：濕度等級為 3，酸敏 感度為 5。
尋找更好的玻璃
關(guān)閉Properties窗口，再次點(diǎn)擊Graph按鈕。
點(diǎn)擊Acid Sensitivity和OK按鈕。
點(diǎn)擊 按鈕放大數(shù)字1的綠色圓圈。
點(diǎn)擊Full Name選項(xiàng) 。
紅垂直線表示酸敏感度，N-SK4的這條線很 長，因?yàn)檫@種玻璃不耐用，左邊的N-BAK2 沒有線。
N-BAK2玻璃特性
點(diǎn)擊N-BAK2的紅色圓圈
點(diǎn)擊Properties
N-BAK2的酸敏感度為1，耐濕性更好，價格更低
N-BAK2分配給表面1
在Surface框中輸入表面編號1 ，
點(diǎn)擊\Apply/按鈕，
點(diǎn)擊Spots Only選項(xiàng)，
點(diǎn)擊Graph，選擇No Graph，點(diǎn)擊OK。
優(yōu)化
點(diǎn)擊Open MACro按鈕，
打開C12M1.MAC，點(diǎn)擊Open按鈕，
點(diǎn)擊Run按鈕 。
離焦-波長曲線
在Command Window中輸入如下命令行 – CHG – NOP – END – PLOT DELF FOR WL = .45 TO .65，
NOP意思是刪除所有的透鏡拾取和求解，
DELF意思是近軸離焦，離焦約0.0026英寸，
w L意思是波長，波長范圍為0.45-0.65μm，
為什么不繪制后焦距-波長圖呢？因?yàn)楫?dāng)用NOP指令刪除所有求解，后焦距是固定的，但是近軸離焦是隨波長改變的。
總結(jié)
本例介紹如何設(shè)計(jì)具有比使用簡單雙合透鏡更好 的色差校正的鏡頭，它的要點(diǎn)是，必須使用滿足 某些特性的三種不同玻璃。
展開 臺灣中央研究院應(yīng)用科學(xué)研究中心蔡定平特聘研究員及臺灣大學(xué)團(tuán)隊(duì)的透鏡研究取得再次突破，團(tuán)隊(duì)最新研究證實(shí)并制作出可消除整個可見光波段中色差的超穎刻作透鏡（Achromatic Meta-lens），且成功應(yīng)用于全彩成像系統(tǒng)。研究成果已于1月29日發(fā)表于國際期刊《自然奈米科技》（Nature Nanotechnology）。
日常生活中透鏡的應(yīng)用相當(dāng)廣泛，從眼鏡、光學(xué)望遠(yuǎn)鏡、攝影鏡頭與相機(jī)感測元件到手機(jī)、內(nèi)視鏡以及成像系統(tǒng)等。不過，受限于光學(xué)材料的折射率，體積通常較厚大，而且，光學(xué)材料的折射率會隨光的波長差異而改變，進(jìn)而產(chǎn)生色差，透鏡在全彩影像應(yīng)用也因而受到極大限制。
超穎界面（metasurfaces）則是一種通過于次波長尺度下操控電磁波特性如相位、振幅與偏振等的光學(xué)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，能微型化光電元件。過往研究已成功利用超穎界面展示平面超穎透鏡（flat meta-lens），證明超穎透鏡的成像能力優(yōu)于目前廣泛使用的物鏡。然而，設(shè)計(jì)方法于實(shí)際應(yīng)用層面仍面臨幾個重要問題，如色散所產(chǎn)生的色差。
寬帶消色差超穎透鏡的光學(xué)照片和電子顯微鏡照片
蔡定平特聘研究員與研究團(tuán)隊(duì)2017年已成功研發(fā)出能消除近紅外波段（480nm）色差的超穎透鏡。今年再進(jìn)一步利用半導(dǎo)體材料氮化鎵，結(jié)合“幾何相位（Geometric phase）”操控與自創(chuàng)概念“集成共振單元”，成功設(shè)計(jì)出消除全可見光波段色差的穿透式超穎透鏡。
有別于傳統(tǒng)消色差光學(xué)透鏡組，超穎刻作透鏡使用單一層設(shè)計(jì)即能消除色差。在極小體積中達(dá)到透鏡在寬廣頻段內(nèi)消除色差的聚焦效果，對平面型的微光電元件裝置的發(fā)展十分關(guān)鍵。如此一來，便能縮小光學(xué)系統(tǒng)的厚度，設(shè)計(jì)與制程也更簡便，極具實(shí)際應(yīng)用價值。
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消色差透鏡的最新內(nèi)容
[圖片]
參數(shù)優(yōu)化和參數(shù)運(yùn)行的應(yīng)用 79
第四章 光學(xué)成像系統(tǒng) 96
4.1 慧差的模擬 96
4.1.1 慧差概念 96
4.1.2 澤尼克多項(xiàng)式與塞德爾像差 96
4.1.3 慧差的模擬 97
4.2 F/4施密特望遠(yuǎn)鏡波動光學(xué)分析 100
4.2.1 模擬任務(wù) 100
4.2.2 模型構(gòu)建 100
4.3 雙合消色差透鏡優(yōu)化設(shè)計(jì)
由圖3可以看出，OCAD 在對菲涅爾透鏡自動設(shè)計(jì)時可以嚴(yán)格把各環(huán)帶中點(diǎn)的光線匯聚于一點(diǎn)，但對于整個環(huán)帶菲涅爾透鏡而言，其橫向像差取決于環(huán)帶寬度，因?yàn)榫兔總€環(huán)帶而言只是個平面光錐，只使光線轉(zhuǎn)折不能會聚也不能消色差。菲涅爾透鏡的光斑點(diǎn)列圖如圖4。
準(zhǔn)直透鏡
OpticStudio提供了包含大量商用鏡頭的鏡頭庫，可以通過鏡頭庫(Lens Catalog)找到所需鏡頭并將其插入鏡頭文件：
此處選擇的鏡頭是直徑為 1’’的Thorlabs消色差膠合透鏡，有效焦距為60mm，膜層適合于所選的波長范圍。選擇焦距為60mm ，使準(zhǔn)直光束的直徑可以完全照亮衍射光柵。
消色差透鏡
光在系統(tǒng)中傳播時會遇到不同的組件并與之相互作用。由于系統(tǒng)的非連續(xù)性，在傳播過程中的不同點(diǎn)可能會有多種相互作用。
消色差透鏡
2. 分束器
3. 自由空間傳播
4. 帶樣本的反射鏡
5. 參考鏡
6.
遠(yuǎn)攝型復(fù)消色差航拍物鏡在航空攝影、遙感測繪及無人機(jī)航拍等高精度成像領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。憑借其遠(yuǎn)攝光學(xué)結(jié)構(gòu)與復(fù)消色差設(shè)計(jì)，該類鏡頭能夠在遠(yuǎn)距離拍攝條件下實(shí)現(xiàn)卓越的空間分辨率和精確的色彩校正，同時兼具色差抑制能力強(qiáng)、成像清晰銳利及視場均勻性高等優(yōu)勢。在本案例中，將通過設(shè)計(jì)一個典型的遠(yuǎn)攝型復(fù)消色差航拍物鏡，演示在 VLU 中的光學(xué)設(shè)計(jì)流程，包括初始系統(tǒng)建立、像質(zhì)分析、評價函數(shù)定義
應(yīng)用場景
遠(yuǎn)攝型復(fù)消色差航拍物鏡在航空攝影、遙感測繪及無人機(jī)航拍等高精度成像領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。憑借其遠(yuǎn)攝光學(xué)結(jié)構(gòu)與復(fù)消色差設(shè)計(jì)，該類鏡頭能夠在遠(yuǎn)距離拍攝條件下實(shí)現(xiàn)卓越的空間分辨率和精確的色彩校正，同時兼具色差抑制能力強(qiáng)、成像清晰銳利及視場均勻性高等優(yōu)勢。在本案例中，將通過設(shè)計(jì)一個典型的遠(yuǎn)攝型復(fù)消色差航拍物鏡，演示在 VLU 中的光學(xué)設(shè)計(jì)流程，包括初始系統(tǒng)建立、像質(zhì)分析、
利用衍射表面消色差的混合目鏡建模5個月前
同時具有折射和衍射表面的混合透鏡已成為一種極具潛力的解決方案應(yīng)用于多種領(lǐng)域。在此案例中，我們將演示混合目鏡的一個例子，其中利用衍射透鏡表面對色差進(jìn)行了校正。由ZemaxOpticStudio?進(jìn)行初始化設(shè)計(jì)，并導(dǎo)入VirtualLab Fusion進(jìn)行進(jìn)一步研究。建模可以基于期望的波前相位響應(yīng)或者考慮實(shí)際的衍射表面結(jié)構(gòu)（以連續(xù)或量化的方式）進(jìn)行。
1. 摘要
了解高NA物鏡的焦點(diǎn)附近的矢量電場分布對顯微鏡、光鑷、激光加工等應(yīng)用是非常重要的。高NA物鏡通常被認(rèn)為是消球差透鏡。 通過VirtualLab Fusion中消球差透鏡，我們展示了如線性、圓形和徑向偏振光束等各種偏振光束的聚焦。 我們研究了關(guān)于不同形狀的孔徑的聚焦場，例如圓形和環(huán)形孔徑。
摘要
