衍射光學(xué)建模的案例
Ansys Zemax | 如何使用 Binary2 面型設(shè)計(jì)衍射光學(xué)元件
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概述
這篇文章介紹了如何在 OpticStudio 中建立衍射光學(xué)表面以及如何使用 Binary2（二元面2）模擬衍射光學(xué)元件。本文使用的示例文件請聯(lián)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(quán)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(guān)，但可以改變光的相位。有關(guān)建立衍射光學(xué)表面的詳細(xì)信息，見文章“OpticStudio 建模衍射光學(xué)表面”。
Binary2 中的衍射光焦度會在光學(xué)表面的截面上引入連續(xù)的相位變化：
其中系數(shù) Ai 的單位為弧度。
由于相位變化在表面的截面上是連續(xù)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(xué)元件的環(huán)形衍射區(qū) ( Diffraction Zones) 的尺寸與該區(qū)域到表面頂點(diǎn)的徑向距離有關(guān)，如下圖所示。OpticStudio 可以自動計(jì)算每個環(huán)形衍射區(qū)的徑向坐標(biāo)使相鄰區(qū)域的相位差為 2π。
Binary2 面型在固定徑向坐標(biāo)處所引入的附加相位與波長無關(guān)。與波長相關(guān)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(jīng)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 光學(xué)系統(tǒng)衍射效應(yīng)分析棘手？OAS 軟件菲涅爾衍射來解惑
菲涅爾衍射案例分析
簡介
菲涅爾衍射作為光學(xué)領(lǐng)域中一種關(guān)鍵的衍射現(xiàn)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(jìn)行精準(zhǔn)描述。與夫瑯禾費(fèi)衍射相比，菲涅爾衍射主要展現(xiàn)光通過小孔或障礙物后，在近場（即距離衍射屏較近的區(qū)域）形成的獨(dú)特衍射圖樣。本案例使用 OAS 光學(xué)軟件，對菲涅爾衍射現(xiàn)象展開細(xì)致模擬與分析，旨在為相關(guān)領(lǐng)域的研究和實(shí)際應(yīng)用提供有力的技術(shù)支撐與理論參考。
案例設(shè)置與操作
光源參數(shù)配置
為精準(zhǔn)模擬菲涅爾衍射現(xiàn)象，本案例構(gòu)建了特定的光學(xué)系統(tǒng)。系統(tǒng)中設(shè)置了一個簡易光束光源，其半孔徑為 1mm，波長設(shè)定為 0.6283μm。該波長處于可見光波段，在光學(xué)實(shí)驗(yàn)和實(shí)際應(yīng)用中具有典型性。同時(shí)，將光源與探測器之間的距離設(shè)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(nèi)衍射圖樣的特征。
光源與探測系統(tǒng)建模
OAS 光學(xué)軟件擁有強(qiáng)大的建模能力，可實(shí)現(xiàn)對各類光學(xué)系統(tǒng)的精確構(gòu)建。在本案例中，軟件成功完成了簡易光束光源的參數(shù)化建模，準(zhǔn)確設(shè)置了光源的半孔徑和波長參數(shù)，確保光源的特性與設(shè)計(jì)要求完全吻合。對于探測器，軟件通過內(nèi)置的光學(xué)探測模塊進(jìn)行配置，精準(zhǔn)設(shè)定了光源與探測器之間的距離參數(shù)，為菲涅爾衍射圖樣的探測搭建了穩(wěn)定的模擬環(huán)境，保障了后續(xù)數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性。
波前追跡與衍射模擬
在本案例中，軟件對光束光源發(fā)出的光波進(jìn)行了全面且精確的波前追跡，詳細(xì)計(jì)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(dá)探測器過程中的相位和振幅演變。基于菲涅耳積分原理，軟件對光波在探測器處的疊加效果進(jìn)行計(jì)算，從而精準(zhǔn)模擬出菲涅爾衍射條紋，為后續(xù)的分析提供了清晰、直觀的可視化結(jié)果。
展開 衍射光學(xué)：超短激光脈沖如何影響光束整形光學(xué)
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(jié)果的虛擬屏幕等進(jìn)行光學(xué)設(shè)置。然后光通過設(shè)置使用傳統(tǒng)的光線追跡（一種遠(yuǎn)場物理光學(xué)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(chǎn)生的結(jié)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(zhuǎn)換成一個donut或者方形能量環(huán)。渦旋透鏡的典型應(yīng)用包括光學(xué)捕獲、量子光學(xué)和高分辨率顯微鏡。
螺旋相位板是一個獨(dú)特的光學(xué)元件，其結(jié)構(gòu)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?fù)潆姾桑谖墨I(xiàn)中表示為m，指的是2π的循環(huán)次數(shù)（鋸齒）蝕刻衍射表面的360°轉(zhuǎn)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(qiáng)度沿著環(huán)形點(diǎn)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(fā)生在方位平面上，而徑向平面上發(fā)生的變化與光斑整形無關(guān)。同時(shí)，既然這不是一個周期結(jié)構(gòu)，橢率或零階的影響也無關(guān)緊要。
衍射錐透鏡
錐透鏡將一束激光轉(zhuǎn)換成一個環(huán)形狀（近場的貝塞爾強(qiáng)度輪廓）。它還將點(diǎn)光源成像成沿光軸的一條線，而且還增加了景深。由于其獨(dú)特的性質(zhì)，衍射錐透鏡應(yīng)用很廣，如原子陷阱，望遠(yuǎn)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(shí)驗(yàn)實(shí)踐指出渦旋透鏡有著類似結(jié)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(xiàn)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(zhuǎn)換到一個均勻性強(qiáng)度（平滑）的圓形，矩形，正方形，線形或其他有銳邊的形狀。
展開 衍射光學(xué)：超短激光脈沖如何影響光束整形光學(xué)
根據(jù)該方程，每個波長有不同的衍射角，且其相應(yīng)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(shù)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(xù)時(shí)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(guān)，這意味著使用非標(biāo)稱波長時(shí)其值會按同一比例增加，因此在使用USP時(shí)，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(jié)果的虛擬屏幕等進(jìn)行光學(xué)設(shè)置。然后光通過設(shè)置使用傳統(tǒng)的光線追跡（一種遠(yuǎn)場物理光學(xué)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(chǎn)生的結(jié)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(zhuǎn)換成一個donut或者方形能量環(huán)。渦旋透鏡的典型應(yīng)用包括光學(xué)捕獲、量子光學(xué)和高分辨率顯微鏡。
螺旋相位板是一個獨(dú)特的光學(xué)元件，其結(jié)構(gòu)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?fù)潆姾桑谖墨I(xiàn)中表示為m，指的是2π的循環(huán)次數(shù)（鋸齒）蝕刻衍射表面的360°轉(zhuǎn)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(qiáng)度沿著環(huán)形點(diǎn)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(fā)生在方位平面上，而徑向平面上發(fā)生的變化與光斑整形無關(guān)。同時(shí)，既然這不是一個周期結(jié)構(gòu)，橢率或零階的影響也無關(guān)緊要。
衍射錐透鏡
錐透鏡將一束激光轉(zhuǎn)換成一個環(huán)形狀（近場的貝塞爾強(qiáng)度輪廓）。它還將點(diǎn)光源成像成沿光軸的一條線，而且還增加了景深。
展開 
[VirtualLab論文] 通過在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示器衍射光波導(dǎo)中插入光學(xué)中間層實(shí)現(xiàn)角度選擇性衍射效率
傳統(tǒng)的入射耦合光柵設(shè)計(jì)僅致力于提高一階衍射效率，卻未考慮光波導(dǎo)中衍射光的多次相互作用，因此存在不足。本研究中，為優(yōu)化耦合光柵設(shè)計(jì)，引入了入射耦合表面浮雕光柵的背耦合損耗（BCL），以及到達(dá)出射耦合光柵的光功率與入射光功率的比值（定義為波導(dǎo)光效率，OEW）。通過在波導(dǎo)與光柵之間插入中間層，我們展示了一種兼具獨(dú)特角度選擇性與高衍射效率的簡單有效的方案。引入?yún)^(qū)域選擇性氟化鎂（MgF?）中間層后，在 40° 視場角下，優(yōu)化后的平均波導(dǎo)光效率從 8.02% 提升至 8.34%，其均勻性從 24.83% 提升至 35.02%。
如何查看光學(xué)系統(tǒng)的衍射強(qiáng)度 | SYNOPSYS光學(xué)設(shè)計(jì)軟件課程第93課
本文主要講如何查看光學(xué)系統(tǒng)的衍射強(qiáng)度。在SYNOPSYS中查看光學(xué)系統(tǒng)的衍射強(qiáng)度通常會直接使用PSF，同時(shí)也會用到DIFF指令。
首先，我們打開鏡頭文件:‘SIMPLE_REFLECTOR.RLE’，在像質(zhì)分析功能中選擇PSF：
鏡頭文件
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此刻可以看到相關(guān)的衍射強(qiáng)度圖。
那么在SYNOPSYS上如何使用DIFF指令呢？它是在查看衍射鏡頭時(shí)經(jīng)常用到的一個指令，類似于一個點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)，例如，我們要檢查10以內(nèi)的艾里斑直徑，這時(shí)就會用到DIFF這個指令。我們打開鏡頭文件：‘SIMPLE_REFLECTOR.RLE’。
得到如上圖所示鏡頭結(jié)構(gòu)圖和鏡頭文件。然后重新創(chuàng)建一個宏文件并輸入DIFF指令，
保存為：‘SIMPLE_REFLECTOR.1.MAC’。
宏文件
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接下來我們就得到了這樣一張二維衍射強(qiáng)度圖：
可以用有以下指令獲得沿單線穿過中心軸上場的衍射圖樣，同樣以80%的遮擋為例。重新創(chuàng)建一個宏文件并輸入：并保存為：‘SIMPLE_REFLECTOR.2.MAC’，
宏文件
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可以得到這樣一張衍射強(qiáng)度圖，如圖所示艾里衍射環(huán)很明顯。
展開 通過在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示器衍射光波導(dǎo)中插入光學(xué)中間層實(shí)現(xiàn)角度選擇性衍射效率增強(qiáng)
傳統(tǒng)的入射耦合光柵設(shè)計(jì)僅致力于提高一階衍射效率，卻未考慮光波導(dǎo)中衍射光的多次相互作用，因此存在不足。本研究中，為優(yōu)化耦合光柵設(shè)計(jì)，引入了入射耦合表面浮雕光柵的背耦合損耗（BCL），以及到達(dá)出射耦合光柵的光功率與入射光功率的比值（定義為波導(dǎo)光效率，OEW）。通過在波導(dǎo)與光柵之間插入中間層，我們展示了一種兼具獨(dú)特角度選擇性與高衍射效率的簡單有效的方案。引入?yún)^(qū)域選擇性氟化鎂（MgF?）中間層后，在 40° 視場角下，優(yōu)化后的平均波導(dǎo)光效率從 8.02% 提升至 8.34%，其均勻性從 24.83% 提升至 35.02%。
衍射光學(xué)元件設(shè)計(jì)
衍射元件在不斷發(fā)展的圖案生成領(lǐng)域扮演著重要的角色，其設(shè)計(jì)需要特定的技術(shù)，而這些技術(shù)與其他類型的元件所采用的技術(shù)大不相同。
在VirtualLab中可以找到用于衍射元件設(shè)計(jì)和優(yōu)化的特定技術(shù)(如迭代傅里葉變換算法或IFTA)，可通過一個會話編輯器來完成，引導(dǎo)用戶在不太了解該方法的條件下完成設(shè)計(jì)過程。過程中包含了對設(shè)計(jì)約束的自動檢查。
用于生成2D光標(biāo)的衍射光束分束器設(shè)計(jì)
VirtualLab中的迭代傅里葉變換算法（IFTA）可以高效和靈活地設(shè)計(jì)定制化光束分束器。
生成LightTrans圖標(biāo)的衍射擴(kuò)散器設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)了兩個具有連續(xù)或離散相位分布的衍射擴(kuò)散器，以生成LightTrans商標(biāo)。并對其性能進(jìn)行了研究。
展開 衍射光學(xué)元件的產(chǎn)生及其結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的輸出
本案例計(jì)算從傳輸中得到的衍射光學(xué)元件的高度分布和結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的產(chǎn)生
關(guān)鍵詞：衍射光學(xué)，衍射光學(xué)元件，結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，GDSII，ASCII，位圖
所需工具箱：Diffractive Optics Toolbox Basic；Tutorial在試用版本中不可用。聯(lián)系LightTrans或者當(dāng)?shù)亟?jīng)銷商可申請一段全版本的試用。
相關(guān)Tutorials：DO.1; DO.2; DO.3; DO.4; DO.5; DO.7; LBS.1; LBS.2
建模任務(wù)
照射光束強(qiáng)度 衍射擴(kuò)散器 產(chǎn)生的光圖樣強(qiáng)度
建模任務(wù)
2 擴(kuò)散器參數(shù)：
—相位層：4
—像素尺寸：830*830nm
—口徑：1*1mm
—周期：664,83*664,83um
2 結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)輸出為二進(jìn)制格式
2 需要的高度分布計(jì)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(xué)擴(kuò)散器系統(tǒng)
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(xué)擴(kuò)散器系統(tǒng)
2 點(diǎn)擊Go!按鈕開始模擬擴(kuò)散器系統(tǒng).
模擬結(jié)果
2 擴(kuò)散器系統(tǒng)產(chǎn)生的光圖樣強(qiáng)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(diǎn)擊Show按鈕顯示光路中的transmission.
展開 衍射及微納光學(xué)系統(tǒng)的分析、設(shè)計(jì)與加工技術(shù)
課程大綱：
1.波動光學(xué)基礎(chǔ)
□ 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(xué)與傅里葉變換
2.衍射元件概述
□ 衍射光學(xué)元件概念
□ 衍射光學(xué)元件優(yōu)點(diǎn)
□ 光束分束、整形、擴(kuò)散
□ 傅里葉變換
□ 角譜理論
□ 工作裝置類型
3.衍射光學(xué)元件理念及設(shè)計(jì)
□ 基本理念
□ 透鏡和衍射光學(xué)元件的作用
□ 分束、整形和擴(kuò)散的實(shí)質(zhì)
□ 衍射光學(xué)元件的特征尺寸
□ 衍射光學(xué)元件優(yōu)化設(shè)計(jì)方法
4.IFTA簡介
□ 基本設(shè)計(jì)步驟
□ 光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)——1f、2f、Fresnel、Far-field、角譜
□ 參數(shù)估算——周期和線寬的估算
□ 光學(xué)系統(tǒng)分辨率——不同結(jié)構(gòu)的分辨率
□ 配置設(shè)計(jì)過程的優(yōu)化評價(jià)函數(shù)
5.衍射元件設(shè)計(jì)案例
□ 衍射分束器參數(shù)選擇
□ 衍射分束器設(shè)計(jì)流程：規(guī)則和任意形狀
□ 衍射整形器參數(shù)選擇
□ 衍射整形器設(shè)計(jì)流程：1D和2D平頂型
□ 衍射擴(kuò)散器參數(shù)選擇
□ 衍射擴(kuò)散器設(shè)計(jì)流程：平頂型和任意圖案
6.光柵模擬分析
□ 構(gòu)建stack
□ 調(diào)整模擬參數(shù)——精度因子和衍射級次
□ 近場分析、衍射效率分析、內(nèi)部場分析
□ 2D光柵表面鍍膜分析
□ 3D表面具有減反結(jié)構(gòu)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(xué)元件
□ 標(biāo)量衍射和傅里葉變換
□ 矢量衍射和傅里葉模態(tài)法
□ 納米光學(xué)元件的應(yīng)用：抗反射、偏振控制、成像、傳感等
8.微納光學(xué)元件制作
□ 多階器件加工
□ 連續(xù)器件加工
□ 傳統(tǒng)套刻法
□ 激光直寫法
□ 納米光子器件制作概述
□ 衍射光學(xué)元件公差分析
9.答疑
展開 衍射光學(xué)元件光束整形、分束和擴(kuò)散
衍射光學(xué)元件光整形
光學(xué)軟件VirtualLab可以用來設(shè)計(jì)和模擬用于激光光束整形的衍射光學(xué)元件。衍射光學(xué)工具箱使用強(qiáng)大的迭代傅里葉變換算法（IFTA）和參數(shù)優(yōu)化可以用來優(yōu)化：
? 衍射光學(xué)元件
? 衍射光束分束器
? 衍射擴(kuò)散器
? 衍射和折射光束整形器
? 計(jì)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(kuò)散器和環(huán)擴(kuò)散器
衍射光學(xué)元件可以用包括聚焦透鏡，準(zhǔn)直透鏡，光束擴(kuò)展器和傅立葉透鏡來建模。光學(xué)模擬包括：
? 衍射
? 干涉
? 偏振
? 時(shí)間和空間相干度
? 強(qiáng)度
? 相位
? 像差
衍射光學(xué)元件可以用于各種光學(xué)系統(tǒng)來操縱激光，經(jīng)典的應(yīng)用包括：
? 材料處理
? 信息顯示
? 測量系統(tǒng)
? 自由空間通訊
? 汽車行業(yè)
? 軍事
? 光譜學(xué)
衍射光分束器產(chǎn)生的光斑 (由POG, Gera加工)
功能
衍射光學(xué)元件在您的激光系統(tǒng)中將會有以下功能：
? 控制衍射和干涉效應(yīng)
? 客戶自定義激光光束分束后的每束光的功率
? 設(shè)計(jì)已確定特性的散射板
? 激光光束強(qiáng)度整形
? 使激光系統(tǒng)緊湊
? 產(chǎn)生任意的2D強(qiáng)度分布
? 使用IFTA快速優(yōu)化成百上千個參數(shù)
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(shù)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(zhǔn)直透鏡，聚焦透鏡，擴(kuò)束器以及傅里葉透鏡一起使用。目標(biāo)平面光束的尺寸一般由透鏡系統(tǒng)控制，而光束的位置和功率由衍射光束分束器控制。
展開 
利用ZPL計(jì)算衍射光學(xué)元件（DOE）的表面輪廓
利用ZPL計(jì)算衍射光學(xué)元件（DOE）的表面輪廓
利用 ZPL 計(jì)算衍射光學(xué)元件（DOE）的表面輪廓
介紹
本文ZPL宏可用于計(jì)算旋轉(zhuǎn)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(yùn)行宏前輸入半徑（Radius）每隔多長時(shí)間重復(fù)計(jì)算一次，之后宏會計(jì)算出每個半徑值對應(yīng)的矢高并給出相應(yīng)的衍射區(qū)域編號（Zone number）、步長（Step Size）、每個區(qū)域所在的位置半徑（Zone Radius）、每個區(qū)域內(nèi)/外半徑矢高（Sag with inner/outer radius）。除此以外，該宏還會計(jì)算出每個區(qū)域的輪廓頻率（Profile Frequency，單位為waves/mm）作為生產(chǎn)難易的評估參數(shù)。
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(shù)；ρ 為徑向坐標(biāo)；A2,4,6,8…為非球面系數(shù)。λ 為波長；N為透鏡折射率；C2,4,6,8…為相位系數(shù)。
步長（Step Height）計(jì)算公式如下：
衍射光學(xué)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(xué)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(jì)算出表面矢高。如下圖所示：
輸出
宏會輸出區(qū)域編號（Zone number）、步長（Step Size）、每個區(qū)域所在的位置半徑（Zone Radius）、每個區(qū)域內(nèi)/外半徑矢高（Sag with inner/outer radius）以及輪廓頻率（Profile Frequency）。
展開 Ansys Zemax | 設(shè)計(jì)衍射光學(xué)元件（DOE）和超透鏡（metalens）
圖3 帶有菲涅爾波帶片的系統(tǒng)布局
然而，如果現(xiàn)在用 POP 對同樣的情況進(jìn)行建模，就會發(fā)現(xiàn)光束會在圖像表面處聚焦，如圖4所示。在這里，我們從束腰為2.6mm的高斯光束開始，將光束聚焦為束腰約為0.4mm的光斑。這個例子表明，這種類型的結(jié)構(gòu)只能用 POP 進(jìn)行模擬。
圖4 菲涅爾波帶片圖像平面上的 POP 結(jié)果
請注意，POP 是基于標(biāo)量衍射理論的，所以它不適合于光柵常數(shù)通常為亞波長量級的 metalens。
2. 相位面
等效相位面是一種被廣泛采用的 DOE 設(shè)計(jì)方法。它的一大優(yōu)勢是可以自然地與光線追跡引擎一起工作，從而利用 OpticStudio 中的大多數(shù)工具。缺點(diǎn)是，在根據(jù)給定的相位面計(jì)算得出微結(jié)構(gòu)后，我們目前還沒有辦法在 OpticStudio 中考慮衍射效率。相位面提供了足夠的信息來計(jì)算光線衍射到哪里。然而，并沒有關(guān)于衍射光線應(yīng)包含的能量信息。為了獲取這個能量信息，我們需要其他工具來計(jì)算衍射效率。
圖5顯示了一個人工晶狀體上的衍射表面如何將光線衍射的例子。通過相位圖，我們很容易知道每個階次的衍射光線的方向。在圖3中，繪制了來自衍射-1（紅色）階、0（藍(lán)色）階和+1（綠色）階的光線。目前，每個衍射階數(shù)的衍射效率無法計(jì)算。換句話說，我們有可能知道每個衍射階數(shù)的光斑是什么樣子的，但是這些階數(shù)的能量分布仍然是未知的。
圖5 這是一個衍射人工晶狀體設(shè)計(jì)的例子。衍射表面是由 Binary2 表面表征的。布局中的光線是由 DOE 衍射的。畫出了-1（紅色）、0（藍(lán)色）和+1（綠色）階的光線路徑。請注意，還有更多階沒有畫出來。
在這一節(jié)中，討論相位面的確定，用相位面進(jìn)行光線追跡，以及如何推導(dǎo)出微結(jié)構(gòu)。
展開 光學(xué)孔徑設(shè)計(jì)受衍射影響？OAS軟件案例來解決
圓孔衍射案例分析
簡介
圓孔衍射是光學(xué)領(lǐng)域中典型的物理光學(xué)現(xiàn)象，其條紋分布特征直接影響光學(xué)成像系統(tǒng)的分辨率、光束傳輸質(zhì)量等核心性能，在天文觀測、顯微鏡成像、激光雷達(dá)等諸多工程領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價(jià)值。本項(xiàng)目旨在通過 OAS 光學(xué)仿真軟件，構(gòu)建精準(zhǔn)的圓孔衍射模型，實(shí)現(xiàn)衍射現(xiàn)象的可視化呈現(xiàn)與關(guān)鍵參數(shù)的定量分析，為相關(guān)光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供高效的仿真支撐。
案例設(shè)置與操作
光源設(shè)置
選用單色點(diǎn)光源作為入射光源，設(shè)定波長為 632.8nm（氦氖激光典型波長），光源發(fā)散角控制在 0.01rad 以內(nèi)，確保入射光束近似平行光，符合理想衍射實(shí)驗(yàn)的光源條件，避免雜散光對仿真結(jié)果的干擾。
模型搭建
在光源與探測器之間構(gòu)建圓形遮光孔徑組件，核心參數(shù)設(shè)置如下：半孔徑尺寸為 21mm，對應(yīng)孔徑直徑 42mm；孔徑比例（開孔區(qū)域與遮光區(qū)域面積比）設(shè)定為 0.5，采用不透明光學(xué)遮光材料，確保僅中心指定區(qū)域允許光線透過，精準(zhǔn)復(fù)現(xiàn)圓孔衍射的物理邊界條件。
探測器設(shè)置
選用面陣 CCD 探測器，像素尺寸設(shè)定為 10μm×10μm，探測面陣規(guī)模為 1024×1024 像素，探測距離根據(jù)幾何光學(xué)關(guān)系設(shè)定為 1.5m，確保完整捕捉衍射條紋的分布范圍，同時(shí)滿足定量測量的精度需求。
圓孔衍射的三維追跡圖
圓孔衍射的探測器結(jié)果圖
總結(jié)
本案例通過 OAS 光學(xué)軟件實(shí)現(xiàn)了圓孔衍射現(xiàn)象的精準(zhǔn)仿真，不僅規(guī)避了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的局限性，還具備參數(shù)可靈活調(diào)整、物理過程可視化、結(jié)果可定量分析等優(yōu)勢。該仿真方法可廣泛應(yīng)用于光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)初期的性能預(yù)判，幫助工程師優(yōu)化孔徑結(jié)構(gòu)參數(shù)以降低衍射效應(yīng)的不利影響。
展開 國產(chǎn)光學(xué)軟件突破 | 3D可視化衍射光波導(dǎo)仿真
原文信息
原文標(biāo)題：“基于光線場追跡的國產(chǎn)3D可視化衍射光波導(dǎo)仿真模塊研究”
第一作者：覃嘉佳
通訊作者：宋強(qiáng)，劉祥彪, 張善文，段輝高，周常河
增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）技術(shù)作為新興人機(jī)交互模式，其近眼顯示領(lǐng)域中，AR 衍射光波導(dǎo)技術(shù)因輕量化、小型化等優(yōu)勢成為核心發(fā)展方向。高品質(zhì)衍射光波導(dǎo)的設(shè)計(jì)優(yōu)化離不開專業(yè)仿真軟件。為填補(bǔ)國內(nèi)空白，本研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)了完全自主可控的 3D 可視化衍射光波導(dǎo)仿真模塊，覆蓋 k 域分析、光波導(dǎo)仿真與優(yōu)化全過程，可納入微投影光機(jī)和人眼模型實(shí)現(xiàn)全維度仿真。
研究基于該模塊設(shè)計(jì)二維出瞳擴(kuò)展衍射光波導(dǎo)，通過確定光柵矢量、劃分功能區(qū)域并精細(xì)調(diào)控光柵參數(shù)，結(jié)合光線場追跡完成仿真，并與國外商業(yè)軟件結(jié)果對比，驗(yàn)證了模塊的有效性與實(shí)用性，為我國 AR 產(chǎn)業(yè)自主發(fā)展提供技術(shù)支撐。
二維出瞳擴(kuò)展衍射光波導(dǎo)中的光線傳播示意圖（來自原文）
該模塊成功設(shè)計(jì)出具備二維出瞳擴(kuò)展的衍射光波導(dǎo)，整體系統(tǒng)由微型投影光機(jī)、光波導(dǎo)與人眼模型構(gòu)成，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)極具優(yōu)勢。其投影光學(xué)系統(tǒng)焦距 14.5 mm，對角線視場角 28°，總長度僅 9.45 mm，光學(xué)元件直徑小于 5.4 mm，憑借緊湊小巧的特性，完美適配近眼顯示設(shè)備的輕量化需求。在性能表現(xiàn)上，該系統(tǒng)在 30 cycles/mm 采樣頻率下的光學(xué)調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF）值均優(yōu)于 0.7，成像質(zhì)量穩(wěn)定可靠。
可視化3D衍射光波導(dǎo)模組示意圖（來自原文）
為驗(yàn)證模塊性能，研發(fā)團(tuán)隊(duì)與市面主流商業(yè)軟件，在衍射效率、均勻性及光線路徑等關(guān)鍵指標(biāo)上展開對比，結(jié)果充分證明了該國產(chǎn)模塊的精度與可靠性。
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