消色差透鏡的案例
Light | 復消色差X射線聚焦
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，從而在一定波長范圍內達到消色差效果。
復消色差(apochromatic) 透鏡可以認為是消色差透鏡的改進版，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，使消色差的波長范圍提升數倍，見圖1。
圖1：X射線復消色差聚焦原理：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F。
在可見光領域，消色差和復消色差透鏡存在已有百年之久。而在X射線領域，直到2022年世界上首個消色差透鏡才剛剛問世。本文報道了該研究團隊在消色差透鏡的工作基礎上，使用滿足特殊條件的菲涅爾波帶片 (FZP) 和復合折射透鏡 (CRL)，成功研制的世界上首個X射線復消色差透鏡系統。實驗顯示，該復消色差透鏡在7 keV到12 keV的能量范圍內表現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，可以更廣泛地應用于折射和衍射透鏡的色差校正。
該研究開發的復消色差X射線透鏡系統由兩個相互獨立的光學元件組成：一個是雙光子聚合3D打印技術制造的復合折射透鏡，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射線復消色差透鏡的組成部分。a）3D打印的發散型CRL置于250納米厚的氮化硅膜上的光學顯微鏡圖像；b）復合折射透鏡和c）45度視角的波帶片的掃描電子顯微鏡圖像；d）復合折射透鏡（左下角）與火柴棒的對比。
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SYNOPSYS 消色差透鏡
概述
? 如何添加元件
? 如何在Worksheet中修改表面
? 如何優化
? 評價函數的選擇
? 優化命令的含義
? 優化中心厚度
? 自定義命令字符
? 玻璃庫菜單(MGT)? 保存
設置工作目錄
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,點擊SketchPAD按鈕
顯示二維圖
添加元件
點擊checkpoint 按鈕 設定還原點，以便得不到理想結果時，點擊 可返回到還原點、點擊worksheet 按鈕 執行以下命令、 點擊 “Insert Element” 按鈕 添加元件
修改表面3
點擊表面 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正常 玻璃的部分色散，1.6是玻璃折射率，44 是阿貝數或色散系數。
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SYNOPSYS?消色差透鏡
概述
如何添加元件
如何在Worksheet中修改表面
如何優化
評價函數的選擇
優化命令的含義
優化中心厚度
自定義命令字符
玻璃庫菜單(MGT)
保存透鏡
設置工作目錄
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
點擊SketchPAD按鈕 顯示二維圖
添加元件
點擊checkpoint 按鈕 設定還原點，以便得不到理想結果時，點擊 可返回到還原點。
點擊worksheet 按鈕 執行以下命令
點擊 “Insert Element” 按鈕 添加元件
點擊PAD上的單透鏡后面添加第二個元件
修改表面3
點擊表面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正常玻璃的部分色散，1.6是玻璃折射率，44是阿貝數或色散系數。介質的折射率越大，色散越厲害，阿貝數越小；反之，介質的折射率越小，色散越不明顯，阿貝數越大。
點擊‘Update’ 按鈕
修改表面4
點擊表面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。
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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
點擊Properties按鈕
N-SK4玻璃不是那么穩定：濕度等級為 3，酸敏 感度為 5。
尋找更好的玻璃
關閉Properties窗口，再次點擊Graph按鈕。
點擊Acid Sensitivity和OK按鈕。
點擊 按鈕放大數字1的綠色圓圈。
點擊Full Name選項 。
紅垂直線表示酸敏感度，N-SK4的這條線很 長，因為這種玻璃不耐用，左邊的N-BAK2 沒有線。
N-BAK2玻璃特性
點擊N-BAK2的紅色圓圈
點擊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 ，
點擊\Apply/按鈕，
點擊Spots Only選項，
點擊Graph，選擇No Graph，點擊OK。
優化
點擊Open MACro按鈕，
打開C12M1.MAC，點擊Open按鈕，
點擊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？因為當用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
本例介紹如何設計具有比使用簡單雙合透鏡更好 的色差校正的鏡頭，它的要點是，必須使用滿足 某些特性的三種不同玻璃。
展開 
再獲突破：新研發的透鏡可消除全可見光波段色差
臺灣中央研究院應用科學研究中心蔡定平特聘研究員及臺灣大學團隊的透鏡研究取得再次突破，團隊最新研究證實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），且成功應用于全彩成像系統。研究成果已于1月29日發表于國際期刊《自然奈米科技》（Nature Nanotechnology）。
日常生活中透鏡的應用相當廣泛，從眼鏡、光學望遠鏡、攝影鏡頭與相機感測元件到手機、內視鏡以及成像系統等。不過，受限于光學材料的折射率，體積通常較厚大，而且，光學材料的折射率會隨光的波長差異而改變，進而產生色差，透鏡在全彩影像應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設計結構，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于目前廣泛使用的物鏡。然而，設計方法于實際應用層面仍面臨幾個重要問題，如色散所產生的色差。
寬帶消色差超穎透鏡的光學照片和電子顯微鏡照片
蔡定平特聘研究員與研究團隊2017年已成功研發出能消除近紅外波段（480nm）色差的超穎透鏡。今年再進一步利用半導體材料氮化鎵，結合“幾何相位（Geometric phase）”操控與自創概念“集成共振單元”，成功設計出消除全可見光波段色差的穿透式超穎透鏡。
有別于傳統消色差光學透鏡組，超穎刻作透鏡使用單一層設計即能消除色差。在極小體積中達到透鏡在寬廣頻段內消除色差的聚焦效果，對平面型的微光電元件裝置的發展十分關鍵。如此一來，便能縮小光學系統的厚度，設計與制程也更簡便，極具實際應用價值。
展開 每周更新三個課程 | SYNOPSYS?光學設計實例
以下是整個課程大綱：
課程大綱
第一課 課程概述
第二課 SYNOPSYS概述
第三課 符號法則和非球面
第四課 近軸光學
第五課 光闌和光瞳
第六課 玻璃和景觀物鏡
第七課 像差概述
第八課 求解和評價函數
第九課 透鏡拆分
第十課 球差
第十一課 透鏡彎曲和像差平衡
第十二課 對稱和周視鏡頭
第十三課 彗差和像散
第十四課 場曲和平像場校正器
第十五課 畸變
第十六課 位置色差和消色差透鏡
第十七課 消色差透鏡的彎曲
第十八課 二級光譜
第十九課 大空氣間隔消色差透鏡和法式景觀物鏡
第二十課 復消色差透鏡
第二十一課 目鏡設計
第二十二課 場鏡和光學窗口
第二十三課 反射鏡和校正板
第二十四課 對稱式消色差透鏡和漸暈
第二十五課 望遠鏡
第二十六課 離焦、像散和場曲
第二十七課
展開 VirtualLab Fusion：由陡峭浮雕結構引起的干涉儀衍射的研究
因此，需要為系統中的每個元素建立一個合適的模型，在精度和速度之間取得良好的平衡：
1.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.探測器
交互式建模技術：消色差透鏡
消色差透鏡
現有的建模技術與曲面的相互作用：
有兩種建模技術可用于計算與表面的相互作用。
由于薄元近似（TEA）假定構件較薄，局部平面界面近似在速度和精度之間提供了最佳的折衷方案。
消色差透鏡：鏡頭系統組件
透鏡系統組件（Lens System Component）允許用戶輕松定義由光滑表面和均勻各向同性介質的交替序列組成的組件。對于界面和材料，您可以從內置目錄中選擇現成的條目，也可以自定義條目，以獲得最大的靈活性。
交互式建模技術：分束器
分束器
現有的自由空間傳播建模技術：
在本使用案例中，我們研究了衍射效應對結果的影響。為此，當衍射效應被忽略或不重要時，我們使用幾何傳播進行仿真，而當邊緣和孔徑引起的衍射效應被關注時，我們則使用傅里葉域技術。
......
鑒于篇幅，本文僅為節選，全文內容請閱讀原文（左下角）下載文檔。
展開 [VirtualLab] 由陡峭浮雕結構引起的干涉儀衍射的研究
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. 探測器
交互式建模技術：消色差透鏡
消色差透鏡
現有的建模技術與曲面的相互作用：
有兩種建模技術可用于計算與表面的相互作用。
由于薄元近似（TEA）假定構件較薄，局部平面界面近似在速度和精度之間提供了最佳的折衷方案。
消色差透鏡：鏡頭系統組件
透鏡系統組件（Lens System Component）允許用戶輕松定義由光滑表面和均勻各向同性介質的交替序列組成的組件。對于界面和材料，您可以從內置目錄中選擇現成的條目，也可以自定義條目，以獲得最大的靈活性。
交互式建模技術：分束器
分束器
現有的自由空間傳播建模技術：
在本使用案例中，我們研究了衍射效應對結果的影響。為此，當衍射效應被忽略或不重要時，我們使用幾何傳播進行仿真，而當邊緣和孔徑引起的衍射效應被關注時，我們則使用傅里葉域技術。
鑒于篇幅，本文僅為節選，全文內容請聯系！
展開 每天一例 | 超消色差透鏡
確定10個波長的起始透鏡
優化
? 點擊 New MACro Window 按鈕 ：
LOG STO 9
PANT
VLIST RAD 1 2 3 4 5
VLIST TH ALL
VLIST GLM ALL
END
AANT
ACM .5 1 1
LUL 5 1 1 A TOTL
END
SNAP
SYNOPSYS 50
? 將光標放在 AANT 部分的LUL 和END命令之間的空白行，然 后單擊 按鈕。選擇Merit function 6，點擊Back to MACro editor。
? 將AEC改為AEC .1 .1 1 。
? 點擊Run按鈕 。
? 點擊 ，選中Free GLM，模 擬退火參數(50,2,50)。
優化后鏡頭
波長-離焦曲線
? 在Command Window中 輸入AEE ：
STORE 9
STEPS = 50
CHG
NOP
END
PLOT DELF FOR WAVL = .365 TO 0.9
GET 9
? NOP的意思是移除所有的求解和拾取。
? 點擊Run按鈕。
總結
本例講述了 MSW 光譜向導，波長-離焦曲線，FST 選擇玻璃組合，BFO 彎曲反轉優化。
歡迎加入SYNOPSYS光學設計QQ群965722997，共同探討，共同學習。
展開 多層超表面革新 | 簡化傳統光學系統
超表面的發展路線（來自原文）
2.超透鏡：超表面的核心應用載體與挑戰
作為超表面的重要應用形式，超透鏡憑借緊湊的尺寸與高效的光線調控能力，成為區別于傳統光學元件的關鍵技術突破口。當前，科研人員圍繞超透鏡開發了多元化應用場景，涵蓋光線聚焦、光學成像、生物傳感、偏振檢測及非線性效應產生等領域。在技術實現路徑上，可通過超表面單元的選型與陣列排布調控入射平面波前，進而達成光線會聚效果；也可基于幾何相位原理調整單元旋轉角度，實現對左旋與右旋圓偏振光的差異化調控；還能通過改變單元結構的尺寸參數調節相位，或采用多單元協同工作的模式滿足復雜需求。即便面對復雜的超表面結構設計，現有電子束光刻、精密刻蝕、納米壓印等制備技術也能確保理論方案的實際落地。
超表面的概念、實現與應用（來自原文）
回顧超透鏡的研究進展，多項突破性成果已相繼涌現：部分研究團隊設計出數值孔徑（NA）高達 0.99 的超透鏡，部分實現了 100° 寬視場下的超透鏡成像功能，還有團隊開發出具備消色差特性的超透鏡、可完成邊緣檢測的超透鏡陣列，以及用于偏振檢測與成像的專用器件，同時在增強及操縱非線性與量子效應的超表面研發方面也取得顯著進展。然而，超透鏡領域仍面臨諸多挑戰，例如高數值孔徑超透鏡的聚焦效率偏低、消色差超透鏡的成像質量有待提升、各項設計指標間存在相互制約關系等，現有設計方法也需進一步優化。對此，文獻作者提出，未來超透鏡設計將逐步向人工智能與神經網絡技術融合的方向發展，而針對色散問題，更優的解決方案是實現對色散效應的合理利用。
3.超表面的 “復用” 能力與調控挑戰
光學超表面不僅能實現對光單一屬性的調控，更具備同時調控光多個參量的 “復用” 能力。
展開 OpTaliX 成像設計免費在線課程 6 月 25 日開課
OpTaliX 成像設計免費在線課程 6 月 25 日開課
01 OpTaliX 軟件介紹
02 OpTaliX 軟件界面介紹
03 OpTaliX 參數介紹
04 OpTaliX 命令介紹
05 OpTaliX 表面定義
06 OpTaliX 傾斜偏心設置
07 OpTaliX 變量設置介紹
08 OpTaliX 評價函數介紹
09 OpTaliX 優化介紹
10 OpTaliX 單透鏡設計實例
11 OpTaliX 雙膠合消色差透鏡設計
12 OpTaliX 掃描鏡頭設計
13 OpTaliX 雙高斯鏡頭設計
14 OpTaliX 高斯光束和光纖耦合介紹
報名方式：
請掃描圖中二維碼
官網：http://www.union-optics.com/register.php
展開 
VirtualLab應用：用于光學相干斷層掃描技術的邁克爾遜干涉儀
光學測量 > 干涉測量
任務/系統說明
亮點
?從光線追跡分析到快速物理光學建模的簡單轉換；
?對相干效應以及干涉圖樣的高速仿真；
具體要求：光源
具體要求：用于準直的消色差透鏡
具體要求：分束器
具體要求：參考光路反射鏡
具體要求：測試光路反射鏡
具體要求：探測器
結果：3D光線追跡
結果：場追跡
結果：移動樣品的場追跡結果
通過掃描樣品的軸向位置，可以研究出樣品的形貌。
文件&技術信息
由陡峭浮雕結構引起的干涉儀衍射的研究
消色差透鏡
光在系統中傳播時會遇到不同的組件并與之相互作用。由于系統的非連續性，在傳播過程中的不同點可能會有多種相互作用。因此，需要為系統中的每個元素建立一個合適的模型，在精度和速度之間取得良好的平衡：
建模技術的單平臺交互操作性
鑒于篇幅，本文僅為節選，全文內容請私信聯系我，感謝
SYNOPSYS?光學設計軟件--復消色差物鏡的公差設計
預估公差結果
拖動Command Window 的滑塊進度條，找到預估公差分析結果
結果非常糟糕
表面1和2的空氣間隔公 差是0.0016英寸
表面2和3的空氣間隔公 差是0.0049英寸，Vnumber的公差是0.054 ，偏心公差是0.00024
無法做出此公差的透鏡
公差靈敏度
THIRD SENS各參數含義見每天一例23-三階像差。
這個列表展示了各個平面對于各種像差的貢獻度及其導數的平方和。這里有一個概念就是如果這些參數很大，即使它們被其他的表面的貢 獻所補償了，但是系統會對微小的誤差非常的敏感，因為沒有辦法做的這么好。 SAT 的值，球差的總和為 8.363。
每天一例 | 寬光譜超消色差顯微鏡物鏡
設置工作目錄
? 選擇Dbook工作目錄
參考Donald Dilworth《Lens Design Automatic and quasi-autonomous computational methods and techniques》第35章
Dsearch優化
我們預估要達到設計要求，可能需要十片透鏡，但是想逐步增加透鏡數量。 設DSEARCH 的輸入，搜索八片透鏡的結構。 這將為您提供一些潛在的初始結構，一旦知道進度的情 況，就可以根據需要增加設置。 由于光譜范圍很寬，因此請設定五個波長而不是設置常 用的三個波長，以避免中間波長處的大焦點誤差。運行MACro（C35M1），模擬退火 （50,2,50）
GSEARCH準備
色差校正是一項大挑戰，下一步是找到一些有可能制造寬光譜的玻璃。 我們將通過兩種方式做到這 一點：首先使用超消色差理論，然后通過讓 GSEARCH 自動發現玻璃的組合。 保存此版本，以便后 面可以再次調用： STORE 1 接下來，創建兩個文件。第一個是一個普通的優化文件。使用 DSEARCH 創建的宏，只需稍微編輯 一下:如果任何組合最初都不追跡(很可能追跡)，請優化程序運行自動 ray-failure 修復例程(C35M2); 折射率的大變化會使光線向不同的方向發射，從而導致失敗):
GSEARCH優化
將C35M2使用名稱 GSOPT.MAC 保存，然后創建第二個 MACro（C35M3），優化 GSEARCH ，經過優化和模擬退火后
進一步優化
這是一個相當不錯的設計，因為超消色差理論只適用于超薄透鏡，而這些透鏡顯然并不薄 。看看如果 GSEARCH 自己找到玻璃會發生什么。
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