衍射光學建模
關注創建者：匿名 創建時間：2026-01-04
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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 菲涅爾衍射案例分析
簡介
菲涅爾衍射作為光學領域中一種關鍵的衍射現象，其核心特征在于考慮光波的波前曲率，并用菲涅耳積分對衍射圖樣進行精準描述。與夫瑯禾費衍射相比，菲涅爾衍射主要展現光通過小孔或障礙物后，在近場（即距離衍射屏較近的區域）形成的獨特衍射圖樣。本案例使用 OAS 光學軟件，對菲涅爾衍射現象展開細致模擬與分析，旨在為相關領域的研究和實際應用提供有力的技術支撐與理論參考。
案例設置與操作
光源參數配置
為精準模擬菲涅爾衍射現象，本案例構建了特定的光學系統。系統中設置了一個簡易光束光源，其半孔徑為 1mm，波長設定為 0.6283μm。該波長處于可見光波段，在光學實驗和實際應用中具有典型性。同時，將光源與探測器之間的距離設定為 1mm，這一距離配置符合菲涅爾衍射近場研究的條件，能夠有效捕捉近場范圍內衍射圖樣的特征。
光源與探測系統建模
OAS 光學軟件擁有強大的建模能力，可實現對各類光學系統的精確構建。在本案例中，軟件成功完成了簡易光束光源的參數化建模，準確設置了光源的半孔徑和波長參數，確保光源的特性與設計要求完全吻合。對于探測器，軟件通過內置的光學探測模塊進行配置，精準設定了光源與探測器之間的距離參數，為菲涅爾衍射圖樣的探測搭建了穩定的模擬環境，保障了后續數據采集的準確性。
波前追跡與衍射模擬
在本案例中，軟件對光束光源發出的光波進行了全面且精確的波前追跡，詳細計算了光波在傳播過程中的波前曲率變化，以及通過傳播到達探測器過程中的相位和振幅演變?；诜颇e分原理，軟件對光波在探測器處的疊加效果進行計算，從而精準模擬出菲涅爾衍射條紋，為后續的分析提供了清晰、直觀的可視化結果。
展開 根據該方程，每個波長有不同的衍射角，且其相應光斑將略微移動到不同的位置。如果中心偏差與焦平面上的光斑尺寸數量級相仿，則光斑為橢圓形。
由于脈沖光譜的每個波長將具有略微不同的衍射角，所以對于更寬的波長范圍（或更短的脈沖持續時間），其橢率更大。
我們還知道元件的零級衍射（光通過DOE非衍射的部分）與波長相關，這意味著使用非標稱波長時其值會按同一比例增加，因此在使用USP時，可以看到明顯的零級衍射。
使用VirtualLab仿真，研究了USP對各種DOE的影響。對于每種DOE，可以對包括高斯光源（單一波長或光譜），DOE，消色差聚焦透鏡和焦平面處用于觀察結果的虛擬屏幕等進行光學設置。然后光通過設置使用傳統的光線追跡（一種遠場物理光學傳播工具）傳播，為了便于示范，選擇不同的入射光束直徑來突出可能產生的結果。
渦旋透鏡
也稱為螺旋相位板，渦旋透鏡將高斯輸入剖面轉換成一個donut或者方形能量環。渦旋透鏡的典型應用包括光學捕獲、量子光學和高分辨率顯微鏡。
螺旋相位板是一個獨特的光學元件，其結構是由螺旋或螺旋相位步驟組成，目的是控制傳輸光束的相位。其拓撲電荷，在文獻中表示為m，指的是2π的循環次數（鋸齒）蝕刻衍射表面的360°轉變。
對于m=1的渦旋透鏡元件，VirtualLab仿真顯示不管輸入是一個高斯脈沖或100fs超快脈沖（見圖1），其對DOE的影響很小。對于圓對稱元件，強度沿著環形點分布，使它幾乎不可能探測到任何光斑大小的變化。換句話說，這些變化并不發生在方位平面上，而徑向平面上發生的變化與光斑整形無關。同時，既然這不是一個周期結構，橢率或零階的影響也無關緊要。
衍射錐透鏡
錐透鏡將一束激光轉換成一個環形狀（近場的貝塞爾強度輪廓）。它還將點光源成像成沿光軸的一條線，而且還增加了景深。
展開 對于每種DOE，可以對包括高斯光源（單一波長或光譜），DOE，消色差聚焦透鏡和焦平面處用于觀察結果的虛擬屏幕等進行光學設置。然后光通過設置使用傳統的光線追跡（一種遠場物理光學傳播工具）傳播，為了便于示范，選擇不同的入射光束直徑來突出可能產生的結果。
渦旋透鏡
也稱為螺旋相位板，渦旋透鏡將高斯輸入剖面轉換成一個donut或者方形能量環。渦旋透鏡的典型應用包括光學捕獲、量子光學和高分辨率顯微鏡。
螺旋相位板是一個獨特的光學元件，其結構是由螺旋或螺旋相位步驟組成，目的是控制傳輸光束的相位。其拓撲電荷，在文獻中表示為m，指的是2π的循環次數（鋸齒）蝕刻衍射表面的360°轉變。
對于m=1的渦旋透鏡元件，VirtualLab仿真顯示不管輸入是一個高斯脈沖或100fs超快脈沖（見圖1），其對DOE的影響很小。對于圓對稱元件，強度沿著環形點分布，使它幾乎不可能探測到任何光斑大小的變化。換句話說，這些變化并不發生在方位平面上，而徑向平面上發生的變化與光斑整形無關。同時，既然這不是一個周期結構，橢率或零階的影響也無關緊要。
衍射錐透鏡
錐透鏡將一束激光轉換成一個環形狀（近場的貝塞爾強度輪廓）。它還將點光源成像成沿光軸的一條線，而且還增加了景深。由于其獨特的性質，衍射錐透鏡應用很廣，如原子陷阱，望遠鏡和激光鉆孔。
類似渦旋透鏡，不論衍射錐透鏡的輸入脈沖是高斯或超短（見圖2），輸出幾乎都沒有變化。VirtualLab仿真和實驗實踐指出渦旋透鏡有著類似結果，并幫助理解了沒有零階衍射以及光斑大小、形狀沒有變化的現象。
Top Hats
Top-hat光束整形器是用來將一束近高斯入射激光光束在一個特定的工作平面轉換到一個均勻性強度（平滑）的圓形，矩形，正方形，線形或其他有銳邊的形狀。
展開 傳統的入射耦合光柵設計僅致力于提高一階衍射效率，卻未考慮光波導中衍射光的多次相互作用，因此存在不足。本研究中，為優化耦合光柵設計，引入了入射耦合表面浮雕光柵的背耦合損耗（BCL），以及到達出射耦合光柵的光功率與入射光功率的比值（定義為波導光效率，OEW）。通過在波導與光柵之間插入中間層，我們展示了一種兼具獨特角度選擇性與高衍射效率的簡單有效的方案。引入區域選擇性氟化鎂（MgF?）中間層后，在 40° 視場角下，優化后的平均波導光效率從 8.02% 提升至 8.34%，其均勻性從 24.83% 提升至 35.02%。
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授課時間
2026/6/23（二）-6/24（三）AM 9:00-PM 16:00
授課地點
上海市嘉定區南翔銀翔路819號中暨大廈18樓1805室
課程講師
訊技光電工程團隊及資深顧問
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
具有折射表面和衍射表面的混合透鏡在不同應用中已成為一種很有前途的解決方案。在這里，我們展示了一個混合目鏡的例子，其中一個用真實表面建模的衍射透鏡被用來糾正色差。利用局部線性光柵近似（LLGA）電磁場求解器處理衍射光柵結構的傳播，并結合薄透鏡組元近似（TEA）和傅里葉模態法（FMM）作為基礎局部求解器。內部精度準則控制兩種算法中哪一種使用在哪個橫向位置。
摘要
GLAD中二元光學元件建模4個月前
二元光學的優點——高衍射效率；獨特的色散性能；更多的設計自由度；寬廣的材料選擇；獨特的光學功能。
通常激光光強分布呈高斯型，而在許多實際應用中，需要將光強分布加以轉換，即光束整形，如呈平頂狀和環狀等。以往人們多用計算全息法實現環形分布，但衍射效率低，難于推廣。近年來人們開始研究二元光學元件(BOE)在光束整形方面的作用。二元光學元件是在計算機制全息圖和相息圖研究發展的基礎上
GLAD中二元光學元件建模4個月前
前言
通常激光光強分布呈高斯型，而在許多實際應用中，需要將光強分布加以轉換，即光束整形，如呈平頂狀和環狀等。以往人們多用計算全息法實現環形分布，但衍射效率低，難于推廣。近年來人們開始研究二元光學元件(BOE)在光束整形方面的作用。二元光學元件是在計算機制全息圖和相息圖研究發展的基礎上，利用計算機設計和微電子加工技術研制成的一種高效率的新型光學元件。由于它能靈活控制波前，因此在光束整形方面有著廣泛的應用前景
光學標準具在具有簡單結構的透明板中可以形成法布里-珀羅諧振器(Fabry-Pérot resonators)，并用于光譜和/或角譜選擇。 VirtualLab Fusion中的非序列場追跡技術可以對不同類型的標準具進行精確建模，其中包括平面或曲面和涂層。作為典型應用，我們展示了以標準具為關鍵部件檢測鈉D線的光學設置。
具有平面或曲面的標準具的建模
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用于多種領域。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行了校正。由ZemaxOpticStudio?進行初始化設計，并導入VirtualLab Fusion進行進一步研究。建模可以基于期望的波前相位響應或者考慮實際的衍射表面結構（以連續或量化的方式）進行。
1. 摘要
摘要 ：整體效率和圖像均勻性是增強現實顯示的重要評判標準。傳統的入射耦合光柵設計僅致力于提高一階衍射效率，卻未考慮光波導中衍射光的多次相互作用，因此存在不足。本研究中，為優化耦合光柵設計，引入了入射耦合表面浮雕光柵的背耦合損耗（BCL），以及到達出射耦合光柵的光功率與入射光功率的比值（定義為波導光效率，OEW）。通過在波導與光柵之間插入中間層，我們展示了一種兼具獨特角度選擇性與高衍射效率的簡單有效的方案
跨平臺光學建模與設計5個月前
VLF和Python的跨平臺仿真
物理光學軟件VirtualLab Fusion構建了一個可組合不同的內置和自定義場解算器的平臺，實現了快速的物理光學仿真和設計，并嵌入了光線追跡。這種多解算器的概念使跨平臺方法成為了可能，即可從外部訪問VirtualLab Fusion。在兩個例子中，我們演示了與Matlab和Python的交互。 通過這種方式，可以使用來自其他程序或編程語言的工具和算法來擴展模擬
摘要：整體效率和圖像均勻性是增強現實顯示的重要評判標準。傳統的入射耦合光柵設計僅致力于提高一階衍射效率，卻未考慮光波導中衍射光的多次相互作用，因此存在不足。本研究中，為優化耦合光柵設計，引入了入射耦合表面浮雕光柵的背耦合損耗（BCL），以及到達出射耦合光柵的光功率與入射光功率的比值（定義為波導光效率，OEW）。通過在波導與光柵之間插入中間層，我們展示了一種兼具獨特角度選擇性與高衍射效率的簡單有效的方案
