超透鏡仿真的案例
一期一會 | 詳解Ansys方案支持超透鏡和共封裝光學(xué)的技術(shù)發(fā)展
仿真可幫助設(shè)計(jì)人員分析由衍射光學(xué)元件調(diào)制時(shí)的場分布、遠(yuǎn)場方向圖和波前變化。
Ansys Lumerical套件、Ansys Speos軟件和Ansys Zemax OpticStudio軟件都可以對衍射光學(xué)元件進(jìn)行仿真。在Lumerical套件中，可以使用FDTD和RCWA求解器對單個(gè)組件進(jìn)行設(shè)計(jì)，而在OpticStudio軟件中，可以對DOE的性能進(jìn)行分析。這些軟件包使您能夠同時(shí)對單個(gè)透鏡或多個(gè)透鏡進(jìn)行仿真。
借助光柵耦合器和微透鏡，實(shí)現(xiàn)光從光纖向波導(dǎo)的傳播與耦合
使用Lumerical亞波長模型插件對可變?nèi)肷涔獾难苌浞瓷溥M(jìn)行仿真，并在Speos軟件中創(chuàng)建光譜錐光圖動畫
超透鏡的設(shè)計(jì)和仿真
仿真軟件可以顯示光如何穿過具有不同元原子布局和尺寸的超透鏡，然后導(dǎo)出用于制造的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。這些仿真技術(shù)，可用于開發(fā)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和緊湊型投影儀應(yīng)用的透鏡。Ansys軟件中的多GPU設(shè)置，可通過結(jié)合多個(gè)GPU的內(nèi)存和處理能力來加速仿真性能，使您能夠?qū)Π瑪?shù)百萬個(gè)元原子的大型超透鏡系統(tǒng)進(jìn)行仿真。
在OpticStudio軟件中使用Lumerical超透鏡插件進(jìn)行的超透鏡仿真
共封裝光學(xué)仿真
Lumerical套件的共封裝光學(xué)仿真，可以對光如何通過波導(dǎo)傳播進(jìn)行建模，并展示波導(dǎo)形狀在光波分束與引導(dǎo)中的重要作用。這些數(shù)字模型展示了共封裝光學(xué)如何支持PIC的開發(fā)。此外，光學(xué)仿真還可以幫助設(shè)計(jì)人員評估衍射光柵將光耦合到波導(dǎo)的效率，并展示了如何調(diào)控光的傳播方式，以適應(yīng)后續(xù)波導(dǎo)的形狀和尺寸。與此同時(shí)，它們還可以對如何組合波前以形成特定圖樣進(jìn)行建模。
展開 將超透鏡建模集成到多尺度光學(xué)系統(tǒng)仿真中（Frank Wyrowski教授）
圖2：幻燈片#14
幻燈片 #13–15
在 VirtualLab Fusion 的眾多技術(shù)創(chuàng)新中，幾何光學(xué)在電磁場建模方面的進(jìn)步使其能夠順利與其他物理光學(xué)仿真技術(shù)相結(jié)合。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，我們遵循了 Max Born 和 Emil Wolf 數(shù)十年前提出的指導(dǎo)原則 [1]，他們曾強(qiáng)烈建議將幾何光學(xué)的基礎(chǔ)擴(kuò)展至電磁場。通過采用我們統(tǒng)一的多尺度仿真（multiscale simulation）方法，可以無縫銜接傳統(tǒng)透鏡曲面的幾何光學(xué)建模與超透鏡（metalens）的高級仿真模型。這種方法在 VirtualLab Fusion 中實(shí)現(xiàn)了前所未有的多尺度仿真速度。
圖3：幻燈片#17
幻燈片 #22
在 VirtualLab Fusion 的多尺度仿真框架中，整合超透鏡（metalenses）的主要挑戰(zhàn)在于創(chuàng)建一個(gè)能夠與其他光學(xué)元件（如傳統(tǒng)透鏡）的仿真模型無縫交互的超透鏡仿真模型。在探討我們?nèi)绾螒?yīng)對這一挑戰(zhàn)之前，我們需要先回答一個(gè)關(guān)鍵問題：將平面透鏡集成到光學(xué)設(shè)計(jì)中，預(yù)期會帶來哪些結(jié)果？
第三章
超透鏡的潛在應(yīng)用
幻燈片 #24–29
為了解答這個(gè)問題，我們首先做出一些基本觀察。為了生成物點(diǎn)圖像，例如軸向物點(diǎn)圖像，我們設(shè)計(jì)一個(gè)合適的曲面。將這個(gè)曲面替換為平面透鏡不會改變物面和像面的距離。因此，平面透鏡的形狀變化不會減少系統(tǒng)的長度。接下來，我們添加另一個(gè)物點(diǎn)，這需要一個(gè)不同的曲面來實(shí)現(xiàn)精確成像。單一曲面無法準(zhǔn)確成像多個(gè)物點(diǎn)。因此，增加更多的曲面來校正像差是至關(guān)重要的，這在透鏡設(shè)計(jì)中是一個(gè)公認(rèn)的概念。目前沒有證據(jù)表明平面透鏡可以消除這一需求。為了進(jìn)一步理解，我們考慮一個(gè)光束擴(kuò)展器的設(shè)計(jì)。在這種情況下，初始透鏡用于將入射平面相位轉(zhuǎn)換為聚焦或發(fā)散的球面相位。以發(fā)散情況為例。第二個(gè)透鏡用于將入射光準(zhǔn)直。
展開 Ansys Lumerical | GPU，超透鏡，鈮酸鋰調(diào)制器等重磅來襲！
主要集中在光子學(xué)多物理場求解器增強(qiáng)，F(xiàn)DTD GPU 加速支持，超透鏡流程優(yōu)化，鈮酸鋰調(diào)制器支持，光子集成電路仿真能力增強(qiáng)， GUI增強(qiáng)和云計(jì)算支持等。
光子學(xué)核心技術(shù)
1、RCWA 功能增強(qiáng)
?新增 RCWA求解器下的電磁場監(jiān)視器，用于更多類似超透鏡的仿真驗(yàn)證需求。
?支持非正交結(jié)構(gòu)單元的仿真求解，可以實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜光柵結(jié)構(gòu)的快速仿真。
?支持仿真結(jié)果一鍵導(dǎo)出成 *.json 文件用于LSWM模型的幾何光學(xué)耦合仿真。
2、超透鏡工作流優(yōu)化
?更快的 RCWA 模擬：支持分布式掃描計(jì)算。
?支持處理直徑高達(dá) 25 毫米的超透鏡，性能提高 10-100 倍。
?支持導(dǎo)出更輕的 GDS 文件用于生產(chǎn)制造。
?RCWA 中改進(jìn)場拼接方法工作流，使得可以處理具有緩慢變化的大直徑超透鏡，速度更快且精度更高。
3、Charge 中各向異性介電材料的支持
?新支持半導(dǎo)體、合金和絕緣體等材料的各向異性相對介電常數(shù)定義。
?材料庫中新增不同晶體切割的鈮酸鋰材料屬性。
?關(guān)鍵應(yīng)用：薄膜鈮酸鋰 (TFLN) 電光調(diào)制器，官網(wǎng)案例即將發(fā)布！
光子學(xué)生態(tài)
1、新的 CML Compiler 用戶界面
?狀態(tài)窗口顯示每個(gè)器件的編譯/QA 狀態(tài)。
?只需單擊按鈕即可輕松部署新模型、重命名和刪除現(xiàn)有器件。
?GUI 界面直接顯示模型編譯狀態(tài)的 log 信息。
2、Layer Builder 的布爾運(yùn)算
?支持多個(gè)掩模層之間任意組合的布爾運(yùn)算。
展開 Ansys Lumerical | 超透鏡設(shè)計(jì)第三部分：如何基于Lumerical以及OpticStudio完成全面的超透鏡設(shè)計(jì)
說明
本案例的目的是設(shè)計(jì)一個(gè)由圓柱形納米棒組成的衍射超透鏡，人為調(diào)整納米棒的半徑和排列可以在超透鏡表面上產(chǎn)生所需的相位分布。該設(shè)計(jì)的近場和遠(yuǎn)場分析在Ansys FDTD、RCWA（嚴(yán)格耦合波分析）和 OpticStudio中得到驗(yàn)證。
注意：在 Zemax 中進(jìn)行進(jìn)一步分析需要 OpticStudio 12 以上版本。
概述
了解模擬工作流程和關(guān)鍵結(jié)果
超透鏡由精心排列的具有亞波長結(jié)構(gòu)的“單位晶格”或“元原子”組成。通過調(diào)整這些單位晶格元件的幾何形狀，人們可以修改元件對于平面波的相位響應(yīng)情況。借助幾何參數(shù)方面的相位知識，可以通過將元原子放置在必要的位置來創(chuàng)建具有任意相位分布的超透鏡。
第1步：定義目標(biāo)相位分布
第一步是定義超透鏡的目標(biāo)相位分布。對于最常見的透鏡類型，例如球面或柱面元件，我們可以使用已知的解析解獲取相位分布。然而，對于更復(fù)雜的系統(tǒng)，解析解將不存在或難以計(jì)算，我們可以使用光線追跡和優(yōu)化功能在OpticStudio中設(shè)計(jì)理想的相位掩模。
第2步：單位單元仿真-高度和半徑掃描
在這一步中，我們掃描納米棒的高度和半徑，并獲得其透射、相位和近場信息，從而選擇出對應(yīng)所需傳輸和相位特性的納米棒高度情況，然后保存相位與光場相對于半徑的結(jié)果以供后續(xù)步驟使用。RCWA求解算法將作為單元原子模擬的推薦/補(bǔ)充工具引入，并與FDTD進(jìn)行比較以進(jìn)行驗(yàn)證。
第3步：整體透鏡設(shè)計(jì)
一旦從第2步構(gòu)建了相位/光場相對于半徑的庫，就有兩種方法可用于設(shè)計(jì)和分析超透鏡整體：
直接仿真：根據(jù)上一步的目標(biāo)相位分布以及其相對于半徑的數(shù)據(jù)情況，在FDTD中構(gòu)建和模擬完整的超透鏡。雖然這種方法更直接，但它可能會在內(nèi)存和仿真時(shí)間方面帶來挑戰(zhàn)，尤其是對于較大的超透鏡而言。
展開 
光學(xué)設(shè)計(jì)與仿真技術(shù)：Lumerical大尺寸超透鏡的光線追跡仿真
Ansys有很多優(yōu)秀的光學(xué)設(shè)計(jì)和仿真相關(guān)產(chǎn)品，它們在汽車AR，VR，HUD，半導(dǎo)體，醫(yī)療以及高科技方面有廣泛的應(yīng)用，如果您有相關(guān)的需求，請通過以下的方式進(jìn)行咨詢！
聯(lián)系人：光研科技南京有限公司 徐保平
手機(jī)號：15051861513
微信號：13627124798
基于Lumerical fdtd的超透鏡設(shè)計(jì)(介質(zhì)天線結(jié)構(gòu)和金屬諧振結(jié)構(gòu))
超透鏡是一種通過控制表面納米結(jié)構(gòu)來調(diào)制光束的幅度和相位，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)波前操控（如光束偏轉(zhuǎn)、光束聚焦和偏振分束等）的新型技術(shù)，現(xiàn)有的超透鏡設(shè)計(jì)一般分為介質(zhì)天線結(jié)構(gòu)和金屬諧振結(jié)構(gòu)兩種。
一、介質(zhì)天線結(jié)構(gòu)
對于超透鏡的各種應(yīng)用來說，首先需要超透鏡的單元，即介質(zhì)天線結(jié)構(gòu)的透過相位可以在360°的相位范圍內(nèi)進(jìn)行自由調(diào)制。因此，我們第一步要做的便是對不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下的超透鏡單元進(jìn)行仿真模擬，并輸出其掃描相位結(jié)果，如圖1所示為簡單的矩形介質(zhì)結(jié)構(gòu)超表面通過腳本掃描得到的結(jié)果。在這一過程中，通常需要點(diǎn)監(jiān)視器、面監(jiān)視器以及其他監(jiān)視器的協(xié)同，并通過腳本或者FDTD自帶的掃描功能對相位結(jié)果進(jìn)行輸出。
圖 1 不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下的相位掃描圖
在論文的復(fù)現(xiàn)或者書寫過程中，一般還會對結(jié)構(gòu)的電場、磁場或者相位進(jìn)行對比和輸出，因此也需要利用軟件對一些關(guān)鍵的場強(qiáng)分布進(jìn)行模擬和輸出，如圖2所示為兩個(gè)不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下的磁場分布和截面相位分布圖，從相位分布圖中可以看出通過改變結(jié)構(gòu)參數(shù)，其透過率相位發(fā)生了一定程度的偏移，這便是后續(xù)進(jìn)行超透鏡整體建模的基礎(chǔ)。在這一過程中，一般僅涉及入門板塊中各監(jiān)視器輸出圖像的內(nèi)容以及相關(guān)后處理的操作。
圖2 兩個(gè)不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下的截面磁場分布和截面相位分布圖
二、金屬諧振結(jié)構(gòu)
除了這種介質(zhì)天線結(jié)構(gòu)外，還有大量的研究集中于金屬諧振結(jié)構(gòu)，如圖3所示，這種結(jié)構(gòu)的仿真思路基本第一種結(jié)構(gòu)相同，僅存在部分細(xì)節(jié)的不同。
圖3 金屬諧振諧振結(jié)構(gòu)和FDTD仿真域
對于金屬諧振結(jié)構(gòu)來說，一般將其反射相位作為超透鏡陣列調(diào)控的參數(shù)，因此需要對結(jié)構(gòu)的反射率以及反射相位進(jìn)行仿真模擬，如圖3所示為普通矩形金結(jié)構(gòu)在寬波長范圍下的反射率和反射相位曲線（通常需要對該曲線進(jìn)行后處理，使其直接輸出角度制的相位）。
展開 Ansys Lumerical | 超透鏡設(shè)計(jì)案例分享第二部分：OpticStudio 中的整體透鏡設(shè)計(jì)
說明
本案例的目的是設(shè)計(jì)一個(gè)由圓柱形納米棒組成的衍射超透鏡，人為調(diào)整納米棒的半徑和排列可以在超透鏡表面上產(chǎn)生所需的相位分布。該設(shè)計(jì)的近場和遠(yuǎn)場分析在Ansys FDTD、RCWA（嚴(yán)格耦合波分析）和 OpticStudio中得到驗(yàn)證。
注意：在 Zemax 中進(jìn)行進(jìn)一步分析需要 OpticStudio 12 以上版本。
概述
了解模擬工作流程和關(guān)鍵結(jié)果
超透鏡由精心排列的具有亞波長結(jié)構(gòu)的“單位晶格”或“元原子”組成。通過調(diào)整這些單位晶格元件的幾何形狀，人們可以修改元件對于平面波的相位響應(yīng)情況。借助幾何參數(shù)方面的相位知識，可以通過將元原子放置在必要的位置來創(chuàng)建具有任意相位分布的超透鏡。
第1步：定義目標(biāo)相位分布
第一步是定義超透鏡的目標(biāo)相位分布。對于最常見的透鏡類型，例如球面或柱面元件，我們可以使用已知的解析解獲取相位分布。然而，對于更復(fù)雜的系統(tǒng)，解析解將不存在或難以計(jì)算，我們可以使用光線追跡和優(yōu)化功能在OpticStudio中設(shè)計(jì)理想的相位掩模。
第2步：單位單元仿真-高度和半徑掃描
在這一步中，我們掃描納米棒的高度和半徑，并獲得其透射、相位和近場信息，從而選擇出對應(yīng)所需傳輸和相位特性的納米棒高度情況，然后保存相位與光場相對于半徑的結(jié)果以供后續(xù)步驟使用。RCWA求解算法將作為單元原子模擬的推薦/補(bǔ)充工具引入，并與FDTD進(jìn)行比較以進(jìn)行驗(yàn)證。
第3步：整體透鏡設(shè)計(jì)
一旦從第2步構(gòu)建了相位/光場相對于半徑的庫，就有兩種方法可用于設(shè)計(jì)和分析超透鏡整體：
直接仿真：根據(jù)上一步的目標(biāo)相位分布以及其相對于半徑的數(shù)據(jù)情況，在FDTD中構(gòu)建和模擬完整的超透鏡。雖然這種方法更直接，但它可能會在內(nèi)存和仿真時(shí)間方面帶來挑戰(zhàn)，尤其是對于較大的超透鏡而言。
展開 Lumerical 大尺寸超透鏡的光線追跡仿真
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說明
本案例的目的是設(shè)計(jì)一個(gè)由圓柱形納米棒組成的衍射超透鏡，人為調(diào)整納米棒的半徑和排列可以在超透鏡表面上產(chǎn)生所需的相位分布。該設(shè)計(jì)的近場和遠(yuǎn)場分析在Ansys FDTD、RCWA（嚴(yán)格耦合波分析）和 OpticStudio中得到驗(yàn)證。
注意：在 Zemax 中進(jìn)行進(jìn)一步分析需要 OpticStudio 12 以上版本。
概述
了解模擬工作流程和關(guān)鍵結(jié)果
超透鏡由精心排列的具有亞波長結(jié)構(gòu)的“單位晶格”或“元原子”組成。通過調(diào)整這些單位晶格元件的幾何形狀，人們可以修改元件對于平面波的相位響應(yīng)情況。借助幾何參數(shù)方面的相位知識，可以通過將元原子放置在必要的位置來創(chuàng)建具有任意相位分布的超透鏡。
第1步：定義目標(biāo)相位分布
第一步是定義超透鏡的目標(biāo)相位分布。對于最常見的透鏡類型，例如球面或柱面元件，我們可以使用已知的解析解獲取相位分布。然而，對于更復(fù)雜的系統(tǒng)，解析解將不存在或難以計(jì)算，我們可以使用光線追跡和優(yōu)化功能在OpticStudio中設(shè)計(jì)理想的相位掩模。
第2步：單位單元仿真-高度和半徑掃描
在這一步中，我們掃描納米棒的高度和半徑，并獲得其透射、相位和近場信息，從而選擇出對應(yīng)所需傳輸和相位特性的納米棒高度情況，然后保存相位與光場相對于半徑的結(jié)果以供后續(xù)步驟使用。RCWA求解算法將作為單元原子模擬的推薦/補(bǔ)充工具引入，并與FDTD進(jìn)行比較以進(jìn)行驗(yàn)證。
第3步：整體透鏡設(shè)計(jì)
一旦從第2步構(gòu)建了相位/光場相對于半徑的庫，就有兩種方法可用于設(shè)計(jì)和分析超透鏡整體：
直接仿真：根據(jù)上一步的目標(biāo)相位分布以及其相對于半徑的數(shù)據(jù)情況，在FDTD中構(gòu)建和模擬完整的超透鏡。雖然這種方法更直接，但它可能會在內(nèi)存和仿真時(shí)間方面帶來挑戰(zhàn)，尤其是對于較大的超透鏡而言。
展開 Ansys Lumerical｜大尺寸超透鏡的光線追跡仿真
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前言
本文介紹了設(shè)計(jì)和模擬厘米尺度超透鏡的工作流程。
我們將一系列不同直徑的納米尺寸等級單元(以下稱為納米單元)在Lumerical中建模，使用RCWA方法對每種直徑的納米單元進(jìn)行分析，建立納米元素直徑以及其誘發(fā)的相位和振幅關(guān)系數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)接下來被導(dǎo)入OpticStudio，以整合到光線追蹤系統(tǒng)中，借由超透鏡把準(zhǔn)直光束聚焦。
超透鏡是由納米單元組成的先進(jìn)光學(xué)結(jié)構(gòu)，透過區(qū)域性調(diào)整單個(gè)單元，可以建立復(fù)雜的光學(xué)功能。然而，大規(guī)模仿真這種結(jié)構(gòu)是一個(gè)真正的挑戰(zhàn)，因?yàn)樗皇侵芷谛缘模纱罅康募{米單元組成。此外，超透鏡本質(zhì)上是基于波動光學(xué)的，但需要將它們整合到光線追蹤系統(tǒng)中。
此工作流使用lumerical搭配OpticStudio的物理光學(xué)傳播（POP）工具可以評估的十分全面，然而從工作流的方法中也呈現(xiàn)出仿真所需的內(nèi)存隨著鏡頭尺寸變大而變大，大到超出目前內(nèi)存能力的程度，會限制仿真的超表面尺寸。在本文中，介紹了設(shè)計(jì)直徑為20毫米的大型超透鏡的工作流程。在這個(gè)工作流程中，演示了我們可以在納米單元級別設(shè)計(jì)超表面，并將其組裝到厘米等級,并將超透鏡整合到OpticStudio的光線追蹤系統(tǒng)中。流程最后還提供了將超表面信息提取到GDS檔案中進(jìn)行制造的步驟。
步驟1：定義相位目標(biāo)
第一步是定義超透鏡相位目標(biāo)的空間分布。由于大尺寸的超透鏡需要數(shù)量龐大的納米單元來構(gòu)成，如果空間分布用位置的查表來表達(dá)，內(nèi)存需求會超出一般CPU的負(fù)荷。在這個(gè)工作流程中，我們使用一個(gè)可解析定義的目標(biāo)相位輪廓，例如球形或圓柱形輪廓。Ansys OpticStudio還可用于優(yōu)化整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)中超透鏡所需的波前，以便使用具有離散系數(shù)的函式（例如多項(xiàng)式）來定義目標(biāo)相位。
展開 [VirtualLab] 超透鏡與超表面全息
超透鏡和超表面因其操縱電磁場的獨(dú)特特性而在科學(xué)上聲名鵲起，如今它們的制造已經(jīng)變得可行。但它們的設(shè)計(jì)難度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了傳統(tǒng)鏡片，因?yàn)楸仨毧紤]到納米級構(gòu)件的特性。
VirtualLab Fusion的優(yōu)勢
? 統(tǒng)一的平臺：具有將納米級構(gòu)建模塊和大尺寸復(fù)合透鏡/表面作為整體的求解器
? 從Zemax中導(dǎo)入功能型設(shè)計(jì)，或通過公式直接定義
? 內(nèi)置了嚴(yán)格的傅里葉模態(tài)法（FMM），也稱為嚴(yán)格耦合波法（RCWA），包含完全矢量信息
? 應(yīng)用便捷的圖形用戶界面來設(shè)置納米構(gòu)建模塊，比如典型的納米片（Nanofin）和納米柱（Nanopillar）
? 查找表的概念將嚴(yán)格的構(gòu)建模塊分析結(jié)果與大尺寸超透鏡/表面建模相聯(lián)系
超透鏡
? 超透鏡的功能特性可以通過多項(xiàng)式系數(shù)來具體表示，比如從Zemax中導(dǎo)入。
? 仿真可以在不同的層面上進(jìn)行：可以基于理想模型進(jìn)行仿真，也可以直接結(jié)合納米構(gòu)建模塊特性進(jìn)行仿真。
? 靈活地將超透鏡與其他元件一起包含在一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)中。
超全息圖
? 傳統(tǒng)的相位全息圖通過在透明基底上刻蝕不同的深度來實(shí)現(xiàn)相位輪廓，這通常只適用于近軸情況。
? 這種相位輪廓也可以通過具有空間變化的納米尺度構(gòu)建模塊的超表面來實(shí)現(xiàn)。
? 使用超表面構(gòu)建模塊，可以以一種直接的方式設(shè)計(jì)高數(shù)值孔徑全息圖。
納米片（Nanofin）構(gòu)建模塊
? Nanofin結(jié)構(gòu)的工作原理是基于雙折射原理。它的相位操縱是通過單個(gè)Nanofin的旋轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)的。
展開 
平面透鏡|從光滑表面到菲涅爾、衍射和超透鏡的演變
球面和非球面界面用于在成像系統(tǒng)中創(chuàng)建透鏡和反射鏡。在非成像光學(xué)中，自由曲面被用來故意引入特定的像差以塑造光的能量分布。在每種情況下，表面都將入射波前的相位轉(zhuǎn)換為符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的特定輸出相位。
平面表面可以實(shí)現(xiàn)通常通過光滑表面進(jìn)行的相同相位變換。本文探討了設(shè)計(jì)平面透鏡的基本原理，包括菲涅爾透鏡、衍射透鏡和超透鏡。
所有示例均使用VirtualLab Fusion (VLF) 軟件進(jìn)行。新引入的技術(shù)和功能計(jì)劃于2025年發(fā)布到VLF。如需了解更多發(fā)布詳情或有關(guān)超透鏡設(shè)計(jì)和建模的疑問，請聯(lián)系support@infotek.com.cn。
本文源自Frank Wyrowski在2024年5月22日Photonics Media網(wǎng)絡(luò)研討會上，F(xiàn)rank Wyrowski主持的 “平面透鏡：追尋從平滑表面到菲涅爾透鏡、衍射透鏡以及超透鏡的演變” (Flat Lenses: Tracing the Evolution from Smooth Surfaces to Fresnel, Diffractive, and Meta Lenses)講座的文字記錄和演示文稿。
1.平面透鏡的潛力與局限性
幻燈片 #2-5
在本文的開頭，我打算探討一個(gè)問題：將平面透鏡集成到光學(xué)設(shè)計(jì)中可以期待什么樣的結(jié)果？為了回答這個(gè)問題，有必要介紹一些與平面透鏡討論相關(guān)的透鏡設(shè)計(jì)基本原理。每個(gè)透鏡都旨在轉(zhuǎn)換一個(gè)或多個(gè)入射波前。在成像中，通常轉(zhuǎn)換球面和平面波前。透鏡的功能由其預(yù)期執(zhí)行的轉(zhuǎn)換定義。這些信息通過所謂的功能透鏡得以保存，并可用于建模和設(shè)計(jì)。功能透鏡通過一組輸入相位及其相應(yīng)的輸出相位（也稱為信號相位）提供所有轉(zhuǎn)換的詳細(xì)信息。僅涉及一對波前相位的轉(zhuǎn)換稱為單場轉(zhuǎn)換。另一方面，當(dāng)涉及多對波前相位時(shí)，該過程稱為多場轉(zhuǎn)換。
展開 VirtualLab：超透鏡與超表面全息
超透鏡和超表面因其操縱電磁場的獨(dú)特特性而在科學(xué)上聲名鵲起，如今它們的制造已經(jīng)變得可行。但它們的設(shè)計(jì)難度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了傳統(tǒng)鏡片，因?yàn)楸仨毧紤]到納米級構(gòu)件的特性。
VirtualLab Fusion的優(yōu)勢
□ 統(tǒng)一的平臺：具有將納米級構(gòu)建模塊和大尺寸復(fù)合透鏡/表面作為整體的求解器
□ 從Zemax中導(dǎo)入功能型設(shè)計(jì)，或通過公式直接定義
□ 內(nèi)置了嚴(yán)格的傅里葉模態(tài)法（FMM），也稱為嚴(yán)格耦合波法（RCWA），包含完全矢量信息
□ 應(yīng)用便捷的圖形用戶界面來設(shè)置納米構(gòu)建模塊，比如典型的納米片（Nanofin）和納米柱（Nanopillar）
□ 查找表的概念將嚴(yán)格的構(gòu)建模塊分析結(jié)果與大尺寸超透鏡/表面建模相聯(lián)系
超透鏡
□ 超透鏡的功能特性可以通過多項(xiàng)式系數(shù)來具體表示，比如從Zemax中導(dǎo)入。
□ 仿真可以在不同的層面上進(jìn)行：可以基于理想模型進(jìn)行仿真，也可以直接結(jié)合納米構(gòu)建模塊特性進(jìn)行仿真。
□ 靈活地將超透鏡與其他元件一起包含在一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)中。
超全息圖
□ 傳統(tǒng)的相位全息圖通過在透明基底上刻蝕不同的深度來實(shí)現(xiàn)相位輪廓，這通常只適用于近軸情況。
□ 這種相位輪廓也可以通過具有空間變化的納米尺度構(gòu)建模塊的超表面來實(shí)現(xiàn)。
□ 使用超表面構(gòu)建模塊，可以以一種直接的方式設(shè)計(jì)高數(shù)值孔徑全息圖。
納米片（Nanofin）構(gòu)建模塊
□ Nanofin結(jié)構(gòu)的工作原理是基于雙折射原理。它的相位操縱是通過單個(gè)Nanofin的旋轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)的。
□ 為了實(shí)現(xiàn)其作為半波片的功能，必須仔細(xì)優(yōu)化Nanofin的結(jié)構(gòu)參數(shù)。
□ 由于雙折射特性，以Nanofin為構(gòu)建模塊的超透鏡具有偏振敏感性。
納米柱（Nanopillar）構(gòu)建模塊
□ 由高折射率材料制成的旋轉(zhuǎn)對稱Nanopillar是另一種常見的超表面構(gòu)建模塊。
展開 平面透鏡|從光滑表面到菲涅爾、衍射和超透鏡的演變
球面和非球面界面用于在成像系統(tǒng)中創(chuàng)建透鏡和反射鏡。在非成像光學(xué)中，自由曲面被用來故意引入特定的像差以塑造光的能量分布。在每種情況下，表面都將入射波前的相位轉(zhuǎn)換為符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的特定輸出相位。
平面表面可以實(shí)現(xiàn)通常通過光滑表面進(jìn)行的相同相位變換。本文探討了設(shè)計(jì)平面透鏡的基本原理，包括菲涅爾透鏡、衍射透鏡和超透鏡。
所有示例均使用VirtualLab Fusion (VLF) 軟件進(jìn)行。新引入的技術(shù)和功能計(jì)劃于2025年發(fā)布到VLF。如需了解更多發(fā)布詳情或有關(guān)超透鏡設(shè)計(jì)和建模的疑問，請聯(lián)系support@infotek.com.cn。
本文源自Frank Wyrowski在2024年5月22日Photonics Media網(wǎng)絡(luò)研討會上，F(xiàn)rank Wyrowski主持的 “平面透鏡：追尋從平滑表面到菲涅爾透鏡、衍射透鏡以及超透鏡的演變” (Flat Lenses: Tracing the Evolution from Smooth Surfaces to Fresnel, Diffractive, and Meta Lenses)講座的文字記錄和演示文稿。
1.平面透鏡的潛力與局限性
幻燈片 #2-5
在本文的開頭，我打算探討一個(gè)問題：將平面透鏡集成到光學(xué)設(shè)計(jì)中可以期待什么樣的結(jié)果？為了回答這個(gè)問題，有必要介紹一些與平面透鏡討論相關(guān)的透鏡設(shè)計(jì)基本原理。每個(gè)透鏡都旨在轉(zhuǎn)換一個(gè)或多個(gè)入射波前。在成像中，通常轉(zhuǎn)換球面和平面波前。透鏡的功能由其預(yù)期執(zhí)行的轉(zhuǎn)換定義。這些信息通過所謂的功能透鏡得以保存，并可用于建模和設(shè)計(jì)。功能透鏡通過一組輸入相位及其相應(yīng)的輸出相位（也稱為信號相位）提供所有轉(zhuǎn)換的詳細(xì)信息。僅涉及一對波前相位的轉(zhuǎn)換稱為單場轉(zhuǎn)換。另一方面，當(dāng)涉及多對波前相位時(shí)，該過程稱為多場轉(zhuǎn)換。
展開 超透鏡與超表面全息
超透鏡和超表面因其操縱電磁場的獨(dú)特特性而在科學(xué)上聲名鵲起，如今它們的制造已經(jīng)變得可行。但它們的設(shè)計(jì)難度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了傳統(tǒng)鏡片，因?yàn)楸仨毧紤]到納米級構(gòu)件的特性。
VirtualLab Fusion的優(yōu)勢
? 統(tǒng)一的平臺：具有將納米級構(gòu)建模塊和大尺寸復(fù)合透鏡/表面作為整體的求解器
? 從Zemax中導(dǎo)入功能型設(shè)計(jì)，或通過公式直接定義
? 內(nèi)置了嚴(yán)格的傅里葉模態(tài)法（FMM），也稱為嚴(yán)格耦合波法（RCWA），包含完全矢量信息
? 應(yīng)用便捷的圖形用戶界面來設(shè)置納米構(gòu)建模塊，比如典型的納米片（Nanofin）和納米柱（Nanopillar）
? 查找表的概念將嚴(yán)格的構(gòu)建模塊分析結(jié)果與大尺寸超透鏡/表面建模相聯(lián)系
超透鏡
? 超透鏡的功能特性可以通過多項(xiàng)式系數(shù)來具體表示，比如從Zemax中導(dǎo)入。
? 仿真可以在不同的層面上進(jìn)行：可以基于理想模型進(jìn)行仿真，也可以直接結(jié)合納米構(gòu)建模塊特性進(jìn)行仿真。
? 靈活地將超透鏡與其他元件一起包含在一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)中。
超全息圖
? 傳統(tǒng)的相位全息圖通過在透明基底上刻蝕不同的深度來實(shí)現(xiàn)相位輪廓，這通常只適用于近軸情況。
? 這種相位輪廓也可以通過具有空間變化的納米尺度構(gòu)建模塊的超表面來實(shí)現(xiàn)。
? 使用超表面構(gòu)建模塊，可以以一種直接的方式設(shè)計(jì)高數(shù)值孔徑全息圖。
納米片（Nanofin）構(gòu)建模塊
? Nanofin結(jié)構(gòu)的工作原理是基于雙折射原理。它的相位操縱是通過單個(gè)Nanofin的旋轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)的。
? 為了實(shí)現(xiàn)其作為半波片的功能，必須仔細(xì)優(yōu)化Nanofin的結(jié)構(gòu)參數(shù)。
? 由于雙折射特性，以Nanofin為構(gòu)建模塊的超透鏡具有偏振敏感性。
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