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平面透鏡設計

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創建者:匿名 創建時間:2026-01-04
平面透鏡設計圖1

平面透鏡設計的實例教程

摘要 在光學設計中,通常使用兩種介質之間的光滑界面來塑造波前。球面和非球面界面用于在成像系統中創建透鏡和反射鏡。在非成像光學中,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換為符合設計標準的特定輸出相位。 平面表面可以實現通常通過光滑表面進行的相同相位變換。本文探討了設計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) 軟件進行。新引入的技術和功能計劃于2025年發布到VLF。如需了解更多發布詳情或有關超透鏡設計和建模的疑問,請聯系support@infotek.com.cn。 本文源自Frank Wyrowski在2024年5月22日Photonics Media網絡研討會上,Frank 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,我打算探討一個問題:將平面透鏡集成到光學設計中可以期待什么樣的結果?為了回答這個問題,有必要介紹一些與平面透鏡討論相關的透鏡設計基本原理。每個透鏡都旨在轉換一個或多個入射波前。在成像中,通常轉換球面和平面波前。透鏡的功能由其預期執行的轉換定義。這些信息通過所謂的功能透鏡得以保存,并可用于建模和設計。功能透鏡通過一組輸入相位及其相應的輸出相位(也稱為信號相位)提供所有轉換的詳細信息。僅涉及一對波前相位的轉換稱為單場轉換。
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摘要 在光學設計中,通常使用兩種介質之間的光滑界面來塑造波前。球面和非球面界面用于在成像系統中創建透鏡和反射鏡。在非成像光學中,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換為符合設計標準的特定輸出相位。 平面表面可以實現通常通過光滑表面進行的相同相位變換。本文探討了設計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) 軟件進行。新引入的技術和功能計劃于2025年發布到VLF。如需了解更多發布詳情或有關超透鏡設計和建模的疑問,請聯系support@infotek.com.cn。 本文源自Frank Wyrowski在2024年5月22日Photonics Media網絡研討會上,Frank 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,我打算探討一個問題:將平面透鏡集成到光學設計中可以期待什么樣的結果?為了回答這個問題,有必要介紹一些與平面透鏡討論相關的透鏡設計基本原理。每個透鏡都旨在轉換一個或多個入射波前。在成像中,通常轉換球面和平面波前。透鏡的功能由其預期執行的轉換定義。這些信息通過所謂的功能透鏡得以保存,并可用于建模和設計。功能透鏡通過一組輸入相位及其相應的輸出相位(也稱為信號相位)提供所有轉換的詳細信息。僅涉及一對波前相位的轉換稱為單場轉換。
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圖1.菲涅爾透鏡結構形式 菲涅爾透鏡是一種利用多層環形圓錐表面構成的特殊面型結構,用以使光線按預定會聚角會聚的光學元件,他等效于一個球面透鏡,如圖2所示。菲涅爾透鏡多用于要求結構簡單的大孔徑非成像系統,特別是照明系統更為常見。這類系統往往只需要一個單片透鏡,工藝簡單可以模壓成形。在對該類透鏡初始結構設計時利用 OCAD 程序也非常簡單。只要在數據表格中的“表面面型”欄內選擇“菲涅爾面”,接著界面會出現菲涅爾面型設計窗體如圖3。在此窗體表格內首先 利用其中“下插入”或“刪除”工具按鈕確定菲涅爾面的環形圈數,再給出菲涅爾面的表面等效焦距值,進一步按“確定”按鈕即可自動算出該菲涅爾面的各環錐面傾斜角度值。 圖2.菲涅爾透鏡設計菜單 圖3.菲涅爾表面設計窗體 菲涅爾面的基底一般是平面,有時為了某種特殊用途也可以是球面,但這時的球面半徑僅僅只作為菲尼爾面的基底,沒有像球面透鏡那樣具有光焦度的貢獻。決定該面光焦度的是菲涅爾面的等值焦距而不是該面基底半徑。帶有球面基底的菲尼爾面的設計方法與以上相同。 由圖3可以看出,OCAD 在對菲涅爾透鏡自動設計時可以嚴格把各環帶中點的光線匯聚于一點,但對于整個環帶菲涅爾透鏡而言,其橫向像差取決于環帶寬度,因為就每個環帶而言只是個平面光錐,只使光線轉折不能會聚也不能消色差。菲涅爾透鏡的光斑點列圖如圖4。 圖4.菲涅爾透鏡光斑點列圖 圖5.菲涅爾透鏡光學零件圖 對帶有菲涅爾面型的光學系統(菲涅爾透鏡設計完成之后,OCAD 可以像其他非球面鏡一樣繪制各種光學圖紙。在繪制零件圖是還可以繪出菲涅爾面的所有面型參數,如圖5所示。
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AED 3 Q 3 19 以防再刪掉一個元件 GLM變量聲明改為VLIST GLM ALL 點擊Run按鈕 點擊Simulated Annealing按鈕 AEI自動元件插入 將AED這一命令行改為AEI 3 3 17 0 0 0 20 1 AEI的意思是Automatic Element Insertion,自動 元件插入 第一個3意思是運行結束后最好的例子存到Lens Library的位置3 3 17 意思是在表面3和表面17之間插入元件 第一個0意思是只計算空氣殼體 第二個0意思是只產生一個殼體 第三個0意思是起始厚度和空氣間隔 20是溫度,1是冷卻度數 優化,模擬退火 注釋掉AEI命令行,在AEI前加 點擊Run按鈕 點擊Simulated Annealing按鈕 MRG真正玻璃菜單 MRG 選擇Ohara MRG的意思是Menu, Real Glass 用Ohara中真正的玻璃代替玻璃模型 MMF調制傳輸函數 MMF MMF的意思是Multifield MTF Menu MTF是調制傳輸函數 選擇Multicolor 點擊Execute 總結 本例對透鏡C9L1.RLE執行C9M1.MAC宏優化,模擬退火,介紹了AED自動元件刪除,AEI自動元件插入,MRG真正玻璃菜單,MMF調制傳輸函數。 注:可搜索武漢墨光微信公眾號,免費申請軟件試用,或者查看更多精彩的光學和數學方面的技術性文章。
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說明 本案例的目的是設計一個由圓柱形納米棒組成的衍射超透鏡,人為調整納米棒的半徑和排列可以在超透鏡表面上產生所需的相位分布。該設計的近場和遠場分析在Ansys FDTD、RCWA(嚴格耦合波分析)和 OpticStudio中得到驗證。 注意:在 Zemax 中進行進一步分析需要 OpticStudio 12 以上版本。 概述 了解模擬工作流程和關鍵結果 超透鏡由精心排列的具有亞波長結構的“單位晶格”或“元原子”組成。通過調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情況。借助幾何參數方面的相位知識,可以通過將元原子放置在必要的位置來創建具有任意相位分布的超透鏡。 第1步:定義目標相位分布 第一步是定義超透鏡的目標相位分布。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,對于更復雜的系統,解析解將不存在或難以計算,我們可以使用光線追跡和優化功能在OpticStudio中設計理想的相位掩模。 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果以供后續步驟使用。RCWA求解算法將作為單元原子模擬的推薦/補充工具引入,并與FDTD進行比較以進行驗證。 第3步:整體透鏡設計 一旦從第2步構建了相位/光場相對于半徑的庫,就有兩種方法可用于設計和分析超透鏡整體: 直接仿真:根據上一步的目標相位分布以及其相對于半徑的數據情況,在FDTD中構建和模擬完整的超透鏡。雖然這種方法更直接,但它可能會在內存和仿真時間方面帶來挑戰,尤其是對于較大的超透鏡而言。
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平面透鏡設計圖2

平面透鏡設計的最新內容

雙膠合透鏡是光學系統中不可或缺的基本光學零件之一。對于一個新設計的光學系統,首先根據性能要求對其進行外形尺寸計算,然后就得開始對各光學零部件進行初級像差設計,求解每個零部件的、、C的分配值,最后根據對各個零部件的、、C要求值進行設計計算該零部件的光學參數(表面半徑R、表面間隔D以及其玻璃材料)。這一整套過程就是光學系統的“初始結構設計”。有了系統的初始結構參數才能開始根據對系統的成像質量要求進行系統結構優化計算
構成光學系統最基礎的結構單元都離不開單透鏡、膠合透鏡以及各種形式反射棱鏡的組合。所有的光學系統進行初始設計階段都必然要從該類結構單元設計為起點。其中透鏡單元中最基礎的則是單透鏡、雙膠合透鏡以及由單透鏡和雙膠合透鏡組成的單透鏡—雙膠合透鏡或雙膠合透鏡—單透鏡組合等幾種常見的結構形式。在選擇“系統結構單元初始設計”的菜單后出現的小窗體內有一個書簽式選項選擇上述五種透鏡的設計選項,如圖1所示。
混合目鏡模型中理想化衍射透鏡的色差校正 為了證明軟件在這方面的能力,我們比較了折射目鏡和混合目鏡的模型。在這個例子中,研究了不同波長的軸上和離軸光束的傳播和相應的色度效應 為了準確地建模和設計這種混合元件,有必要對系統的衍射效應進行深入分析。VirtualLab Fusion的快速物理光學傳播技術允許對典型透鏡進行精確建模
圖1.菲涅爾透鏡結構形式 菲涅爾透鏡是一種利用多層環形圓錐表面構成的特殊面型結構,用以使光線按預定會聚角會聚的光學元件,他等效于一個球面透鏡,如圖2所示。菲涅爾透鏡多用于要求結構簡單的大孔徑非成像系統,特別是照明系統更為常見。這類系統往往只需要一個單片透鏡,工藝簡單可以模壓成形。在對該類透鏡初始結構設計時利用 OCAD 程序也非常簡單。只要在數據表格中的“表面面型”欄內選擇“菲涅爾面”,
前言 在光學設計領域,鏡頭系統是核心研究對象,鏡頭相關設計與仿真在光學設計中占據著重要比重。傳統鏡頭分析多依托幾何鏡頭設計等專業工具,而在需要精細化衍射分析的實際場景中,光學仿真需兼顧衍射效應等關鍵物理特性。本次我將以像散轉換器為實操案例,為大家講解如何通過 VirtualLab Fusion 導入鏡頭文件,完成包含衍射分析的光學系統仿真。 圖1. 模式像散轉換器概念圖 如圖1所示
設計任務 透鏡是一種透射光學裝置,通過改變光的相位使光聚焦或散焦。與傳統透鏡不同,超透鏡的優點是能夠在非常薄的層中實現所需的相位變化,使用的結構尺寸在波長量級及以下,而不需要復雜和體積龐大的透鏡組。在這個例子中,我們展示了使用圓柱形介電納米柱超構透鏡的設計過程。由于其納米級結構和高折射率對比度,電磁場的全矢量建模是必不可少的
摘要 透鏡是一種透射光學裝置,通過改變光的相位使光聚焦或散焦。與傳統透鏡不同,超透鏡的優點是能夠在非常薄的層中實現所需的相位變化,使用的結構尺寸在波長量級及以下,而不需要復雜和體積龐大的透鏡組。在這個例子中,我們展示了使用圓柱形介電納米柱超構透鏡的設計過程。由于其納米級結構和高折射率對比度,電磁場的全矢量建模是必不可少的。對于初始配置,使用E. Bayata工作中的參數。 設計任務
附件下載 聯系工作人員獲取附件 概述 漸進透鏡是自由曲面設計中一個常見話題。為了實現增加光焦度或者控制像差等目的,自由曲面的形狀可以是任意的,而不是簡單地由圓錐系數或者偶次非球面系數這樣的參數方程定義。 自由曲面的分析和優化方法與普通透鏡有所不同,本文以一個漸進透鏡為例,介紹這些優化分析方法。 引言 漸進透鏡 (Progressive addition lenses , PALs
設計任務 多焦點眼內人工晶體植入術目前被廣泛應用于治療白內障。多焦點眼內透鏡的優點之一是能為患者提供良好的遠近視力。在本示例中,我們演示了如何將初始設計導入 VirtualLabFusion,并在考慮實際二元結構的情況下對晶狀體系統進行建模。通過改變二元結構的高度,我們進一步研究了衍射透鏡的性能。
如今,多焦點眼內透鏡移植已廣泛用于白內障的治療。作為其優勢特點之一,衍射眼內透鏡為病患提供了很好的遠近景性能。這種透鏡經常在Zemax OpticStudio 中采用binary2面型進行設計。在本示例中,我們闡述了如何將初始設計導入VirtualLab Fusion,并利用實際的二元結構對透鏡系統建模。通過改變二元結構的高度,進一步研究了衍射透鏡的性能。