衍射光學
關注創建者：追光ing 創建時間：2023-05-30
衍射光學的視頻教程
MCGrating 光柵設計軟件
包含衍射光柵、結構、衍射光學元件、光伏系統和光譜光柵。光柵的特征尺寸可以從納米到毫米量級。同時可以計算衍射效率、近場、偏振、反射、透射以及內部場。全息光柵、布拉格光柵、表面光柵、光子晶體、衍射光束分束器、偏光器、抗反射各種定制特性可以使用戶分析和優化用戶自定義結構的光柵。這些包括導入測量的高度輪廓以及使用公式描述一個高度輪廓的可編程高度輪廓或者折射率分布介質。
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ZEMAX 成像設計線上培訓
07 優化; 08 局部優化 27 分析工具應用； 28 尋找最佳非球面 29 曲率套樣板； 30 鏡頭匹配工具； 09 全局優化； 10 錘形優化； 11 優化函數架構技巧； 12 單透鏡優化實例 31 Zemax 公差分析功能介紹; 32 加工誤差、裝配誤差； 33 靈敏度分析; 34 反靈敏度分析; 13 雙膠合優化實例； 14 熱分析及衍射光學元件的使用
￥1980 11小時14分鐘 184播放
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衍射光學的實例教程
課程大綱：
1.波動光學基礎
□ 雙光束干涉及楊氏干涉
□ 相干及非相干光源的傳播特性
□ 衍射光學與傅里葉變換
2.衍射元件概述
□ 衍射光學元件概念
□ 衍射光學元件優點
□ 光束分束、整形、擴散
□ 傅里葉變換
□ 角譜理論
□ 工作裝置類型
3.衍射光學元件理念及設計
□ 基本理念
□ 透鏡和衍射光學元件的作用
□ 分束、整形和擴散的實質
□ 衍射光學元件的特征尺寸
□ 衍射光學元件優化設計方法
4.IFTA簡介
□ 基本設計步驟
□ 光學系統結構——1f、2f、Fresnel、Far-field、角譜
□ 參數估算——周期和線寬的估算
□ 光學系統分辨率——不同結構的分辨率
□ 配置設計過程的優化評價函數
5.衍射元件設計案例
□ 衍射分束器參數選擇
□ 衍射分束器設計流程：規則和任意形狀
□ 衍射整形器參數選擇
□ 衍射整形器設計流程：1D和2D平頂型
□ 衍射擴散器參數選擇
□ 衍射擴散器設計流程：平頂型和任意圖案
6.光柵模擬分析
□ 構建stack
□ 調整模擬參數——精度因子和衍射級次
□ 近場分析、衍射效率分析、內部場分析
□ 2D光柵表面鍍膜分析
□ 3D表面具有減反結構的光柵分析
□ 光柵單元陣列及透鏡陣列的建模與分析
7.光柵概述
□ 2D和3D光柵,亞波長光柵,及二元光學元件
□ 標量衍射和傅里葉變換
□ 矢量衍射和傅里葉模態法
□ 納米光學元件的應用：抗反射、偏振控制、成像、傳感等
8.微納光學元件制作
□ 多階器件加工
□ 連續器件加工
□ 傳統套刻法
□ 激光直寫法
□ 納米光子器件制作概述
□ 衍射光學元件公差分析
9.答疑
展開 衍射光學元件光整形
光學軟件VirtualLab可以用來設計和模擬用于激光光束整形的衍射光學元件。衍射光學工具箱使用強大的迭代傅里葉變換算法（IFTA）和參數優化可以用來優化：
? 衍射光學元件
? 衍射光束分束器
? 衍射擴散器
? 衍射和折射光束整形器
? 計算全息（CGH）
? 相位板
? 全息圖
被紅色和綠色激光照射的衍射線擴散器和環擴散器
衍射光學元件可以用包括聚焦透鏡，準直透鏡，光束擴展器和傅立葉透鏡來建模。光學模擬包括：
? 衍射
? 干涉
? 偏振
? 時間和空間相干度
? 強度
? 相位
? 像差
衍射光學元件可以用于各種光學系統來操縱激光，經典的應用包括：
? 材料處理
? 信息顯示
? 測量系統
? 自由空間通訊
? 汽車行業
? 軍事
? 光譜學
衍射光分束器產生的光斑 (由POG, Gera加工)
功能
衍射光學元件在您的激光系統中將會有以下功能：
? 控制衍射和干涉效應
? 客戶自定義激光光束分束后的每束光的功率
? 設計已確定特性的散射板
? 激光光束強度整形
? 使激光系統緊湊
? 產生任意的2D強度分布
? 使用IFTA快速優化成百上千個參數
一個衍射光分束器元件的一個周期的二元高度輪廓
衍射光分束器
衍射光束分束器可以將一束激光分成自定義數目的光束，每束光可以有自定義的功率和角度。光分束器一般和準直透鏡，聚焦透鏡，擴束器以及傅里葉透鏡一起使用。目標平面光束的尺寸一般由透鏡系統控制，而光束的位置和功率由衍射光束分束器控制。
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概述
這篇文章介紹了如何在 OpticStudio 中建立衍射光學表面以及如何使用 Binary2（二元面2）模擬衍射光學元件。本文使用的示例文件請聯系工作人員下載。
Binary2 面型
Zemax LLC 感謝 Optics1 公司的 Robert E.Fischer 先生授權使用其著作《Optical System Design》中的圖表。
在 OpticStudio 中，許多表面除了可以定義折射光焦度以外，還可以定義衍射光焦度。衍射光焦度與材料折射率和表面矢高無關，但可以改變光的相位。有關建立衍射光學表面的詳細信息，見文章“OpticStudio 建模衍射光學表面”。
Binary2 中的衍射光焦度會在光學表面的截面上引入連續的相位變化：
其中系數 Ai 的單位為弧度。
由于相位變化在表面的截面上是連續的，因此 Binary2 面型模擬的是一個理想的二元衍射元件，其二元面的臺階尺寸趨近于無窮小或小于光的波長。
通常來講，Binary2 面型模擬衍射光學元件的環形衍射區 ( Diffraction Zones) 的尺寸與該區域到表面頂點的徑向距離有關，如下圖所示。OpticStudio 可以自動計算每個環形衍射區的徑向坐標使相鄰區域的相位差為 2π。
Binary2 面型在固定徑向坐標處所引入的附加相位與波長無關。與波長相關的光程由下式給出：
下圖布局圖所示為 Binary2 的色差：
Binary2 消色差單透鏡
Binary2 面型經常用來矯正色差。在一個簡單的單透鏡中，長波長光的焦距相比短波長的光更長，如下圖（a）。
展開 利用ZPL計算衍射光學元件（DOE）的表面輪廓
利用 ZPL 計算衍射光學元件（DOE）的表面輪廓
介紹
本文ZPL宏可用于計算旋轉對稱 Kinoform 透鏡表面（OpticStudio 中為 Binary2 面型）的相位（phase）以及矢高（Sag）。使用者需在運行宏前輸入半徑（Radius）每隔多長時間重復計算一次，之后宏會計算出每個半徑值對應的矢高并給出相應的衍射區域編號（Zone number）、步長（Step Size）、每個區域所在的位置半徑（Zone Radius）、每個區域內/外半徑矢高（Sag with inner/outer radius）。除此以外，該宏還會計算出每個區域的輪廓頻率（Profile Frequency，單位為waves/mm）作為生產難易的評估參數。
表面矢高的一般形式如下：
其中 C=1/R，R為半徑；K為圓錐系數；ρ 為徑向坐標；A2,4,6,8…為非球面系數。λ 為波長；N為透鏡折射率；C2,4,6,8…為相位系數。
步長（Step Height）計算公式如下：
衍射光學元件（DOE）表面輪廓如下，單位為弧度:
其中 R 為歸一化半徑。
典型的衍射光學元件輪廓如下：
輸入
輸入表面編號以及迭代半徑間隔就可以計算出表面矢高。如下圖所示：
輸出
宏會輸出區域編號（Zone number）、步長（Step Size）、每個區域所在的位置半徑（Zone Radius）、每個區域內/外半徑矢高（Sag with inner/outer radius）以及輪廓頻率（Profile Frequency）。
展開 本案例計算從傳輸中得到的衍射光學元件的高度分布和結構數據的產生
關鍵詞：衍射光學，衍射光學元件，結構數據，GDSII，ASCII，位圖
所需工具箱：Diffractive Optics Toolbox Basic；Tutorial在試用版本中不可用。聯系LightTrans或者當地經銷商可申請一段全版本的試用。
相關Tutorials：DO.1; DO.2; DO.3; DO.4; DO.5; DO.7; LBS.1; LBS.2
建模任務
照射光束強度 衍射擴散器 產生的光圖樣強度
建模任務
2 擴散器參數：
—相位層：4
—像素尺寸：830*830nm
—口徑：1*1mm
—周期：664,83*664,83um
2 結構數據輸出為二進制格式
2 需要的高度分布計算
2 蝕刻掩模分解
2 蝕刻掩模輸出為位圖和GDSII文件
打開光學擴散器系統
2 上載文件
DO.008_Generation_of_DOE_Fabrication_Data_01.lpd.
2 文件在VL_Samples文件夾中
光學擴散器系統
2 點擊Go!按鈕開始模擬擴散器系統.
模擬結果
2 擴散器系統產生的光圖樣強度分布
傳輸器提取
2 雙擊光路徑圖中的Stored Transmission打開編輯對話框
傳輸器(transmission)提取
2 點擊Show按鈕顯示光路中的transmission.
展開 
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衍射光學的最新內容
與之不同的是，衍射光學將光描述為一種電磁波。當光波遇到尺寸與其波長相當的微觀結構（微光學元件）或開口時，就會發生光衍射。當光在這些尺寸只有數百納米的結構中發生衍射時，光束可以被聚焦、整形、重定向或分束。
什么是衍射光學元件？
通過衍射來控制光屬性的組件，被稱為衍射光學元件（DOE）。
概述
這篇文章介紹了：
如何使用 RCWA 求解器分析周期性多層結構（如光子晶體、衍射光柵）的光學響應；
RCWA 求解器的原理：在傅里葉域中劃分均勻層，并通過 S 矩陣雙向傳播計算透射、反射及各個光柵階的功率；
如何設置入射平面波的傳播方向（X/Y/Z 軸）、角度（θ/?）和偏振（s/p），以及反向傳播的兩種模式（鏡像 k 矢量和反向 k 矢量）；
對比 RCWA
衍射光學元件設計與優化
3. 周期性微納結構的優化設計
4.超表面微納結構
下午
2. 衍射光學元件設計與優化
3. 周期性微納結構的優化設計
5. 微納加工工藝方案
6.
4
先進顯微鏡系統的物理光學級仿真
顯微鏡系統的設計
通過瑞利判據對顯微鏡物鏡進行分辨率研究
熒光顯微鏡的彩色效應分析
高NA傅里葉顯微鏡單分子成像
高NA顯微鏡系統分析偶極子源的PSF
顯微鏡系統中來自光圈的衍射
5
光學系統的公差分析
考慮加工公差下的傾斜光柵魯棒性優化
鏡頭粗糙度對PSF的影響
衍射光學元件的加工圓角和高度公差分析
授課時間：：2026/5/28（四）-5/29（五）（各城市并行開課）
課程時數：2天/城市
授課地點：深圳市光明區鳳凰街道尚智科技園1棟B座1503
課程講師：訊技光電工程師隊
課程費用：3600RMB/1人次
(課程包含課程材料費、開票稅金、午餐費)
課程簡介
Course Introduction
光柵是現代光學系統中最為常用的一種衍射光學元件
衍射透鏡元件24天前
如今，衍射透鏡在現代光學的各種應用中得到廣泛的使用。微結構表面被用來取代笨重的光學元件，與傳統鏡頭相比，得益于尺寸和重量的減小。在快速物理光學軟件VirtualLab Fusion中，這些結構既可以以理想化的形式建模，具有預定義的階次和效率，也可以更現實地建模，包括對實際微觀結構表面的精確分析。
圖3 雙折射透鏡整形系統
（3）衍射光學元件（DOE）
衍射光學元件利用光的波動性實現相位與振幅調控，在小型化、集成化光學系統中不可或缺。其設計核心在于通過迭代算法優化相位分布，避免局部最優解。
AR全息波導的模擬可以基于Zemax序列模式建模，結合全息構造/重構雙階段原理、材料折射率波長縮放、坐標間斷以及主光線求解等實現精準光路仿真，兼顧光線追跡效率與衍射光學效應還原度，支撐AR光學系統從原型到優化的全流程設計。
本次研討會覆蓋AR全息光波導設計全流程，包含系統規格定義、全息圖表面設置、波導TIR結構搭建、像質優化、物理約束與工程化改進等核心環節。
自由曲面光學的一些關鍵應用包括：
抬頭顯示器（HUD）
望遠鏡
成像系統
光束整形和照明應用
汽車前照燈
紅外透鏡
AR/VR頭戴式顯示設備
衍射光學
像差波前
雖然自由曲面光學設計有時是為了優化和改善光學系統的現狀，但如果沒有自由曲面，許多應用將不具備商業可行性。
例如，衛星上使用的望遠鏡需要多個反射鏡來引導光線。
直接投影式
反射投影式
總結
本案例基于 OAS 光學軟件實現車載 AR?HUD 衍射波導全鏈路光學仿真與優化，覆蓋建模、參數配置、追跡分析、性能評估及迭代優化閉環流程，精準獲取耦合效率、能量分布、視場均勻性、像質等核心指標，為光柵結構與波導系統設計提供量化依據。
