微納光學結構設計的案例
衍射及微納光學系統的分析、設計與加工技術
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 光 · 學堂 | VirtualLab Fusion微納光學設計|光柵與超表面建模及仿真（深圳場）2026/5/28-5/29
課程大綱
Course Syllabus
1
VirtualLab Fusion軟件介紹
光之數字模型平臺原理介紹
VirtualLab Fusion用戶界面的基礎操作
2
光柵仿真算法比較
薄元近似法（Thin Element Approximation）
傅里葉模態法（Fourier Modal Method）
周期單元近似法（Periodic Cell Approximation）
3
光柵嚴格分析實例
閃耀光柵
亞波長光柵與偏振轉換
體全息光柵的波長和角度選擇特性
諧振光柵耦合器
4
光柵設計與優化
傾斜光柵結構參數優化
公差分析
蛾眼抗反射結構的設計與優化
高衍射效率偏振無關光柵的優化設計
5
光柵系統級分析
晶圓檢測系統
晶圓雙面光柵圖案的成像分析
共聚焦顯微鏡檢測系統
6
超表面微納結構
超構表面偏振/波長/角度響應分析
超光柵的構建
基于神經網絡的超構透鏡設計
設計和分析超透鏡
基于超構透鏡（PCA）實現聚焦與成像
展開 SYNOPSYS光學設計軟件課程六十六：離軸反射式光學系統初始結構設計
<p>根據現代光電信息技術對信息發送、接收、轉換、傳遞與存儲功能的特殊需求，光學面形可由不規則、復雜非對稱的自由曲面隨意組合而成。光學中的自由曲面是指無法用球面或非球面系數來表示的曲面，主要是指任意非傳統、非對稱的曲面，以及微結構數組和參數向量表示的任何形狀的曲面。</p><p><br></p><p>采用先進的數控超精密制造技術可直接加工出自自由曲面光學鏡面，能達到亞微米量級面形精度與納米量級的表面粗糙度。</p><p><br></p><p>自由曲面廣泛的應用在以下領域：投影鏡頭、衍射光學器件、頭盔式顯示器、車燈反射面、LED照明系統、汽車HUD抬頭顯示、離軸系統等等。</p><p><br></p><p>本文將展示使用synopsys軟件進行離軸反射式光學系統初始結構的設計</p><p><br></p><p>第一步是繪制設計簡圖。</p><p><br></p><p>這是一個有三個反射鏡的例子，如下圖所示。光線從表面1的左側進入，依次經過位于2,3,4處的反射鏡，然后進入5處的像面。
展開 基于COMSOL計算微納結構中的多級散射
多級散射是量化分析共振模式的一個常用手段，通過計算不同偶極子散射的能量可以很好地研究微納結構的輻射特性，例如Anapole由于ED和TD模式干涉相消表現為非輻射模式，TD環偶極子通常表現出高Q特性等等。通過復現一篇題為“Symmetric metasurface with dual band polarization-independent high-Q resonances governed by symmetry-protected BIC”的文章來展示準BIC的形成機制。
結構是由全介質構成的四聚體超表面，如下圖所示。當打破結構對稱性后會產生一個高Q的準BIC，反射譜上表現為一個尖銳的Fano共振。我們關注第一個共振模式。
圖1：四聚體超表面
圖2：透射譜以及Fano擬合
第一個共振模式是一個磁偶極子模式，簡稱MD，文中進行了多級散射展開，MD的分量占主導，從場分布中也可以看到一個明顯的磁偶極子模式，如下圖所示。
圖3：文中共振模式1的多級展開和場分布
圖3：周期性邊界條件設置
在COMSOL中選擇波長域進行仿真，材料設為硅，折射率為3.42。上下添加完美匹配層，x和y方向采用周期性邊界條件，如下圖所示。并且在上表面添加入射端口，由于文章是TM波入射，因此，電場沿x方向，端口具體設置如下。
圖4：建模以及邊界條件設置
圖5：入射端口設置
在結構上添加積分算子方便進一步計算不同偶極矩對散射能量具體計算公式可參考呢文中補充材料，不同文獻公式會略有不同，但大同小異，不影響定性分析。
展開 
SYNOPSYS光學設計 第48課：從初始結構開始設計的微光刻透鏡
如果你想更好的學習光學設計，這將是一個好的學習例子。本課將給出一個學習例子。
鏡片數22片
物高31mm
物方數值孔徑NA 0.2
波長為UV
像方晶圓尺寸是12.66mm
總長小于1200mm
這種透鏡在物體和圖像上都是有限共軛的，最好分兩步設計。首先，我們將為左半部分設計一個鏡片組，可以讓光束經過遮光罩，光束到中心后被準直。然后我們將為右半部分設計第二個鏡片組，將準直光束成像到晶圓片上。
SYNOPSYS 光學設計軟件課程四十八：從初始結構開始設計的微光刻透鏡
課程四十八：從初始結構開始設計的微光刻透鏡
你現在使用的電腦有一個中央處理器，它的晶圓片是用一個非常復雜的鏡頭曝光加工而來的。這類鏡頭可能含有20或30個以上的鏡片組成，是世界上最精細的鏡頭。如果你想更好的學習光學設計，這將是一個好的學習例子。
本課將給出一個學習例子:
1. 鏡片數22片
2. 物高31mm
3. 物方數值孔徑NA 0.2
4. 波長為UV
5. 像方晶圓尺寸是12.66mm
6. 總長小于1200mm
這種透鏡在物方和像方上都是有限共軛的，最好分兩步設計。首先，我們將為左半部分設計一個鏡片組，可以讓光束經過遮光罩，光束到中心后被準直。然后我們將為右半部分設計第二個鏡片組，將準直光束成像到晶圓片上。
展開 Ansys Speos｜微光學結構尾燈設計
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簡介
汽車照明行業在過去幾年中有了很大的發展，對復雜光學結構的需求需要先進的設計能力。Speos 3D Texture是一個獨特的功能，允許在給定的身體表面以圖案的形式設計和模擬微紋理。它的優點依賴于圖案(網格)的光學模擬模型，而不是使用實際的CAD幾何圖形。這樣就減少了計算時間和文件大小。
Speos 3D Texture是汽車照明設備的光性能和外觀設計使用的先進軟件工具，照明設計和驗證都可以在Speos中進行，仿真結果的保真度為保證較少的開發迭代次數提供了足夠的信心，從而降低了項目的成本和時間。
3D texture 設計
Speos 3DTexture建模能力完成參數定義以生成待驗證的仿真文件。3DTexture的設計參數將取決于所采用的制造技術、外觀和現有的光學設計專業知識，使用Speos，可以嘗試不同的輸入，以實現滿足所有條件的設計。在這個特定的用例中，一個透明的材料被用作光介質，可以從根據3DTexture不同模式，對透明光介質繼續光學設計(見下圖)。這種“燈”被用作車輛的尾燈設計。
3D Texture驗證
3D Texture 在Speos中可視化和模擬，可以對不同類型的測量目標進行定性和定量分析。3D Texture設計完成后，必須在Speos中進行虛擬驗證。照明外觀被定義為設計中最重要的度量(即光均勻性，顏色，亮度等)，另外光度性能也是評估項。
展開 打入式斷續變焦光學系統初始結構設計
圖3.會聚光路中打入式自動設計程序界面
設計時在界面上填寫相關設計要求以及各組元之間主面間隔，程序會自動求解打入部分各組元焦距值以及其他外形尺寸數據，繪制結構示意圖。圖中上半部分是打入前的原物鏡結構，下半部分為打入后的系統結構。接著執行“下一步”程序顯示系統各組元焦距值、通光孔徑以及各組元間主面間隔數據。
圖4.會聚光路中打入式自動設計程序界面
繼續點擊“下一步”，就可以進入系統初始結構自動設計階段。此時可以利用設計窗口內下部表格內的“選擇”欄內選擇設計哪一組鏡頭。選擇后界面自動出現“透鏡單元結構設計”窗口進行設計。設計完畢在表格內點擊“保存”，將會自動完成該組設計。
圖5.會聚光路中打入式自動設計程序界面
按以上方法依次操作即可完成所有組元結構設計。完成之后，再按“下一步”，可以完成整個系統的初始結構設計。
圖6.會聚光路中打入式自動設計結構示意圖
系統的初始結構設計數據如下。
圖7.會聚光路中打入式自動設計結構系統數據
B) 平行光路中打入型變焦系統設計
正如上面所說，有些光學系統出于結構需要，可能在物鏡后面塞得很滿沒有空間安排打入式變焦活動組，此時可以在物鏡（變焦固定組）前安排活動組。前置的變焦活動組應該是一個望遠系統，也分為前后兩個單元。根據變焦倍率以及兩組分間的空氣間隔，兩組分的焦距分配關系如下。式中 f1及 f2分別表示前后兩組焦距值，m為變焦倍率，d為兩組分間間隔。
以上間隔均由程序自動完成。在OCAD設計窗口內有“會聚光路內打入”和“平行光路內打入”的兩種選擇。在選擇“平行光路內打入”后，設計界面如圖所示。
展開 OCAD應用：打入式斷續變焦光學系統初始結構設計
圖中上半部分是打入前的原物鏡結構，下半部分為打入后的系統結構。接著執行“下一步”程序顯示系統各組元焦距值、通光孔徑以及各組元間主面間隔數據。
圖4.會聚光路中打入式自動設計程序界面
繼續點擊“下一步”，就可以進入系統初始結構自動設計階段。此時可以利用設計窗口內下部表格內的“選擇”欄內選擇設計哪一組鏡頭。選擇后界面自動出現“透鏡單元結構設計”窗口進行設計。設計完畢在表格內點擊“保存”，將會自動完成該組設計。
圖5.會聚光路中打入式自動設計程序界面
按以上方法依次操作即可完成所有組元結構設計。完成之后，再按“下一步”，可以完成整個系統的初始結構設計。
圖6.會聚光路中打入式自動設計結構示意圖
系統的初始結構設計數據如下。
圖7.會聚光路中打入式自動設計結構系統數據
B) 平行光路中打入型變焦系統設計
正如上面所說，有些光學系統出于結構需要，可能在物鏡后面塞得很滿沒有空間安排打入式變焦活動組，此時可以在物鏡（變焦固定組）前安排活動組。前置的變焦活動組應該是一個望遠系統，也分為前后兩個單元。根據變焦倍率以及兩組分間的空氣間隔，兩組分的焦距分配關系如下。式中 f1及 f2分別表示前后兩組焦距值，m為變焦倍率，d為兩組分間間隔。
以上間隔均由程序自動完成。在OCAD設計窗口內有“會聚光路內打入”和“平行光路內打入”的兩種選擇。在選擇“平行光路內打入”后，設計界面如圖所示。界面內也有是否單組打入和兩組分間隔打入的選擇。和以往一樣操作方法即可自動設計出所要求的初始結構參數。設計出帶反射棱鏡的和不帶反射棱鏡的設計結果光學系統示意圖如下圖所示。
圖8.平行光路中單變焦組打入式自動設計界面
圖9.平行光路中單變焦組打入式自動設計結果結構示意圖
2.
展開 SYNOPSYS 光學設計軟件課程三十七：自動查找和更改鏡頭結構
課程三十七：自動查找和更改鏡頭結構
在本課程中，我們將展示一個具有挑戰性的問題，然后利用這些工具，在短時間內，找到優秀的設計。我們將使用 DSEARCH 來獲取初始結構，然后使用其他功能來修改鏡頭結構，提高其性能。
（在本課中，我們將使用模擬退火功能進行搜索和優化，因為它通常會返回最佳結果。但是，由于流程的隨機性，該功能并不總是返回相同的結果，因此如果運行這個練習本身，結果可能會有所不同。但整體質量大致相同。）
根據下面要求設計一個廣角目鏡。
視場角：90 度。
出瞳距:15 毫米或以上
望遠鏡目標的 F 數: F/8。
可見光譜: C、d、F 夫瑯和費譜線。
0.58756 微米的光程差 校正在 d 光的 ? 波長內或更好
C(0.6563微米)和 F(0.4876 um) 光程差校正在?波長內或更好用
眼點處的光瞳像差不大于 1/2 mm。
一個內部視場光闌，其中子午像差必須不大于在局部F /number光束中艾里斑的兩倍。
到望遠鏡物鏡的距離 2000 mm。
目鏡必須不超過 10 個元件。目鏡總長度不超過200毫米。
在這里我們將使用計算機來完成它的工作，設計師協助指導。
我們從零開始，使用 DSEARCH 讓計算機自行設計一個初始結構。
展開 OCAD應用：打入式斷續變焦光學系統初始結構設計
打入式斷續變焦光學系統的固定組就是一般定焦系統的物鏡，需要獨立矯正像差。活動組一般由正負兩組透鏡組成。在變焦過程中一般遵循系統相對孔徑不變原則。在分配活動組兩組透鏡的焦距時有兩種求解方法，一種是根據前活動組位置及后組位置先求出光線M1M2，很容易得到兩組份焦距值；
A) 會聚光路中打入型變焦系統設計
為了保證系統像面位置不變，活動組都由兩個組分組成，其中一個是負組分，另一個為正組分構成。在變焦過程中，整個活動組一起打入（出）以改變系統焦距。一般情況下，整個活動組固聯在一起運動，但有時出于結構的需要，比如中間插入有反射棱鏡，活動組的兩部分分別在反射棱鏡的一前一后排列也可以。
打入（出）型斷續變焦系統結構比較簡單，在不需要連續變焦時一般采用這種結構形式。在活動組打出時使用固定組，系統焦點位置穩定，瞄準精度高。打入（出）型變焦系統的活動組可以在前，相當于一個望遠系統，便于設計，但系統結構尺寸長。另一種是活動組在后，位于會聚光路中，設計時要確保像面位置不變，對系統結構精度要求高。
1. 一次性打入式斷續變焦系統設計
打入式斷續變焦系統還分為一次性打入式斷續變焦系統和多重轉換式斷續變焦系統兩種。一次性打入式斷續變焦系統只有打入或打出兩個變焦倍率。
展開 
Zemax光學設計技術教程：了解ZOS-API結構的基礎知識
本文介紹了ZOS-API結構的基礎知識和應用于ZOS-API的面向對象編程的概念。盡管ZOS-API面向對象的本質在很大程度上是“隱藏的”，但它可以幫助您更好地理解ZOS-API的詞匯和結構。作者 Sandrine Auriol簡介本文將重點介紹一些關于面向對象編程的關鍵概念，以及如何在ZOS-API中使用它。您不需要成為開發人員就可以使用ZOS-API，同時，掌握一些基礎知識將使得ZOS-API的使用變得更加簡單。什么是面向對象編程？面向對象語言(Object-Oriented Languages)使用了高效的方法進行編程。使用對象(Objects)和種類(Classes)來組織數據，使代碼可以在不同的工程中重復使用，而不是每次都從頭開始編寫。這個概念易于用來定義OpticStudio文件。每個.zmx文件代表一個不同的序列和（或）非序列模式下的光學系統，這些光學系統中可以設置不同數量的物體和（或）表面，…
在面向對象程序中，每個光學系統都被看作一個API“對象(Object) ”。光學系統有共同的特征，如波長、表面、…在面向對象編程中，具有共同特征的對象被分組到一個主列表中。具有這個特征的主列表被稱為類(Class)或接口(Interface)。這些類被進一步分組到稱為名稱空間(Namespaces)的庫中。
展開 OCAD應用：單反射鏡掃描光學系統初始結構設計
圖1.帶有端部反射鏡及保護玻璃的單反射鏡掃描系統示意圖
單反射鏡掃描光學系統往往多設在光學系統端部用以掃描物方視場，故有常稱端部反射鏡。由于具有單次反射面的反射棱鏡也具有反射鏡的功能，也經常使用這類棱鏡作為掃描元件，這類棱鏡被稱作端部棱鏡。
具有端部反射鏡（棱鏡）及保護玻璃的掃描光學系統，由于其端部反射鏡（棱鏡）是個運動部件，其前保護玻璃可能是三維傾斜的，因此不易計算他們的外形尺寸。為此本程序包含了這個小部件的外形尺寸計算功能。在選擇“設計”菜單中的“端部反射鏡及保護玻璃”后，會出現一個小窗體。窗體上要求填寫有關端部反射鏡、保護玻璃以及系統性能的一些數據。填寫完畢，選擇工具條上確定按鈕，然后就能自動計算幷畫出這一小部件的圖形，同時還可以在菜單上選擇反射鏡運動效果圖如圖2。
圖2.端部反射鏡及保護玻璃的設計窗體
圖3.端部反射鏡及保護玻璃的設計圖示意圖
展開 OCAD應用：單反射鏡掃描光學系統初始結構設計
圖1.帶有端部反射鏡及保護玻璃的單反射鏡掃描系統示意圖
單反射鏡掃描光學系統往往多設在光學系統端部用以掃描物方視場，故有常稱端部反射鏡。由于具有單次反射面的反射棱鏡也具有反射鏡的功能，也經常使用這類棱鏡作為掃描元件，這類棱鏡被稱作端部棱鏡。
具有端部反射鏡（棱鏡）及保護玻璃的掃描光學系統，由于其端部反射鏡（棱鏡）是個運動部件，其前保護玻璃可能是三維傾斜的，因此不易計算他們的外形尺寸。為此本程序包含了這個小部件的外形尺寸計算功能。在選擇“設計”菜單中的“端部反射鏡及保護玻璃”后，會出現一個小窗體。窗體上要求填寫有關端部反射鏡、保護玻璃以及系統性能的一些數據。填寫完畢，選擇工具條上確定按鈕，然后就能自動計算幷畫出這一小部件的圖形，同時還可以在菜單上選擇反射鏡運動效果圖如圖2。
圖2.端部反射鏡及保護玻璃的設計窗體
圖3.端部反射鏡及保護玻璃的設計圖示意圖
展開 OCAD應用：單反射鏡掃描光學系統初始結構設計
圖1.帶有端部反射鏡及保護玻璃的單反射鏡掃描系統示意圖
單反射鏡掃描光學系統往往多設在光學系統端部用以掃描物方視場，故有常稱端部反射鏡。由于具有單次反射面的反射棱鏡也具有反射鏡的功能，也經常使用這類棱鏡作為掃描元件，這類棱鏡被稱作端部棱鏡。
具有端部反射鏡（棱鏡）及保護玻璃的掃描光學系統，由于其端部反射鏡（棱鏡）是個運動部件，其前保護玻璃可能是三維傾斜的，因此不易計算他們的外形尺寸。為此本程序包含了這個小部件的外形尺寸計算功能。在選擇“設計”菜單中的“端部反射鏡及保護玻璃”后，會出現一個小窗體。窗體上要求填寫有關端部反射鏡、保護玻璃以及系統性能的一些數據。填寫完畢，選擇工具條上確定按鈕，然后就能自動計算幷畫出這一小部件的圖形，同時還可以在菜單上選擇反射鏡運動效果圖如圖2。
圖2.端部反射鏡及保護玻璃的設計窗體
圖3.端部反射鏡及保護玻璃的設計圖示意圖
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