菲涅爾透鏡設計的案例
OCAD應用：菲涅爾透鏡初始結構設計
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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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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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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。
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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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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。
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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
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[Optiwave] OptiFDTD應用：菲涅爾透鏡
圖4.介質平板在YZ平面的 Ey 場
采用菲涅耳透鏡設計后，光線實現了場聚焦（如圖 5 所示）。沿 z 軸切片（如圖 6 所示）顯示，焦點峰值位于 8.2319μm 處。
圖5.菲涅爾透鏡在YZ平面的 Ey 場
圖6.菲涅爾透鏡在YZ平面的 Ey 場沿Z軸切片
將透鏡設計改為超透鏡后，得到了相似的結果。其焦點峰值位于 8.0475μm 處，但光斑尺寸更大。兩種設計結果的差異源于超構透鏡中高透過率區的折射率對比度不同且透射率較低。
圖7.超透鏡在YZ平面的 Ey 場
圖8.超透鏡在YZ平面的 Ey 場沿Z軸切片
展開 ZEMAX軟件技術應用專題：如何在OpticStudio中建模菲涅爾透鏡
菲涅爾透鏡（Fresnel lens），是由法國物理學家奧古斯丁·菲涅爾所發明的一種透鏡。此設計原來被應用于燈塔，可以建造更大孔徑的透鏡，其特點是焦距短，且比一般的透鏡的材料用量更少、重量與體積更小。和早期的透鏡相比，菲涅爾透鏡更薄，因此可以傳遞更多的光，使得燈塔即使距離相當遠仍可看見。
相比傳統的球面透鏡，菲涅爾透鏡通過將透鏡劃分出為一系列理論上無數多個同心圓紋路（即菲涅爾帶）達到相同的光學效果，同時節省了材料的用量。
正是因為這些紋路，透鏡的總體厚度減小了；菲涅爾透鏡實際上是普通凸透鏡連續的曲面被截為一段一段曲率不變的不連續曲面，因為曲面被劃分得很細，故看上去像一圈一圈的紋路。事實上菲涅爾透鏡可以被視作一系列的棱鏡按照環形排列，其中邊緣較為尖銳，而中心則是較為平滑的凸面。
菲涅爾透鏡的設計容許大幅度地削減透鏡厚度（以及重量與體積），但是付出的代價是成像品質會下降，這也是精密成像儀器例如單反相機以及數碼相機仍然使用傳統笨重的透鏡的原因。
菲涅爾透鏡常由玻璃或塑料制成，尺寸從大（老式燈塔，尺寸以米計）到中（閱讀放大鏡、幻燈片投影）再到?。▎畏聪鄼C對焦屏、顯微光學）。大多數情況下，它們很薄很平整，并且有韌性，大約3-5毫米厚。
隨著光學材質技術的發展，以往難以用在攝影用鏡頭的菲涅爾透鏡也逐漸出現在攝影鏡頭，如尼康的AF-S NIKKOR 300mm f/4E PF ED VR即使用了一片PF（Phase Fresnel）鏡片，大幅減輕了重量與體積，根據尼康說法，使用菲涅爾透鏡的鏡頭可以大幅降低色散。佳能EF接環鏡頭產品中有一部分使用了類似菲涅爾透鏡的衍射鏡片，稱為“DO鏡”。
展開 Ansys Lumerical｜菲涅爾透鏡設計
雖然這個 2D 示例不會完全再現 3D 菲涅爾透鏡的預期結果，但它可以幫助識別真實透鏡中不同特征的來源，并建議 3D 透鏡可能的設計改進。
Ansys Lumerical｜菲涅爾透鏡設計
雖然這個 2D 示例不會完全再現 3D 菲涅爾透鏡的預期結果，但它可以幫助識別真實透鏡中不同特征的來源，并建議 3D 透鏡可能的設計改進。
AR | 新專利顯示蘋果VR或AR設備顯示屏可移動并使用菲涅爾透鏡減重
菲涅爾透鏡
蘋果的第二項專利名稱為“帶有菲涅爾透鏡的頭戴式顯示設備”，蘋果在此專利中提供了一種新的顯示系統設計，可以為其用戶帶來一種更為輕巧的頭戴式顯示設備。
通常，VR頭顯需要依靠一系列透鏡組來讓用戶清楚地看到離眼睛非常近的屏幕。不過在使用透鏡組后，雖然屏幕看起來很清晰，而且看起來很遠，但是整個設備的重量也增加了很多。
菲涅爾透鏡是一種特殊的透鏡，它沒有明顯的凹凸曲率，通過楔形、凹槽和環來調整不同區域的光線通過情況，這種調光最終可以像普通透鏡一樣實現光學成像。實際上，燈塔就使用菲涅爾透鏡將光線聚焦到海上部分區域（不是照亮整個海面）。
具體到蘋果的這篇專利，這種菲涅爾透鏡由指向顯示器的彎曲凸面組成，它帶有斜坡面和拔模面(Draft Facets)，同樣可以讓用戶看到屏幕。這里的屏幕本身可以是平面的或彎曲的，如果有設計需要，這種菲涅爾透鏡還可以設計成和屏幕的曲率匹配。
為了減少光散射，設計可以在拔模面上涂上不透明的掩蔽材料，或者在透明基板上制作類似材料的同心環。
這種輕薄的顯示系統也可以使用成對的菲涅爾透鏡，其中一個可以將來自顯示器的光調整為特定的分布模式，第二個可以收集以上述分布模式照射在它身上的光線，并將其對準用戶的視野。
通過菲涅爾透鏡使用，蘋果可以切實可行地減少這些產品設計中的透鏡數量，這顯然可以大幅減少該頭顯設備本身的重量。
這篇專利提交于2018年2月1日，其發明人被列為 Victoria C. Chan、John N. Border、Jeffrey C. Olson、Yury A. Petrov、Edward S.
展開 平面透鏡|從光滑表面到菲涅爾、衍射和超透鏡的演變
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。
展開 平面透鏡|從光滑表面到菲涅爾、衍射和超透鏡的演變
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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OptiFDTD應用：菲涅爾透鏡
傳統菲涅耳透鏡如圖 1 所示，由高透過率區域（白色）和低透過率區域（黑色）的同心環帶組成 [2]。環帶通過以下公式確定：
超透鏡的設計思路通常是：先確定實現目標透鏡功能所需的相位調制，再將作用域劃分為亞波長單元。隨后通過設計，使每個單元提供正確的等效折射率或相位調制。
2、理論
本案例采用傳統菲涅耳透鏡設計，以驗證超透鏡的有效性。
超構透鏡是超構表面的直接應用，是光子學領域的一項重大進展。傳統透鏡依靠曲率聚焦光線，而超構透鏡由亞波長單元陣列構成，在實現相同光學性能的同時，保持了纖薄輕便的特性。這些高折射率對比度的亞波長單元能對光源產生累積偏折效應。
1、超透鏡-菲涅爾透鏡
展開 OpTaliX | 菲涅爾透鏡
菲涅耳透鏡被構造成使得透鏡的彎曲表面在環形區域中塌陷成薄板。如下圖所示，它具有鏡片的折射效果，而沒有相應的厚度或重量。這種透鏡通常在高架投影儀，聚光燈和信號燈中用作聚光鏡。
在OpTaliX中，環形面可以精確建模。因此，菲涅耳透鏡中的環形小平面的各種深度導致不同的像差。菲涅耳表面可以是折射，反射，非球面和偏心/傾斜的。也可以按數組分組。
聯合光學科技有限公司是一家專業的光學產品與軟件研發、銷售及技術咨詢服務的公司。涉及領域包括幾何光學，物理光學等方面的模擬和仿真，已蛻變為一家國際化的高科技專業技術服務公司。為廣大客戶提供全方位的光學軟件產品服務和專業化的軟件課程培訓。
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菲涅耳透鏡被構造成使得透鏡的彎曲表面在環形區域中塌陷成薄板。如下圖所示，它具有鏡片的折射效果，而沒有相應的厚度或重量。這種透鏡通常在高架投影儀，聚光燈和信號燈中用作聚光鏡。
在OpTaliX中，環形面可以精確建模。因此，菲涅耳透鏡中的環形小平面的各種深度導致不同的像差。菲涅耳表面可以是折射，反射，非球面和偏心/傾斜的。也可以按數組分組。
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OpTaliX | 菲涅爾透鏡
菲涅耳透鏡被構造成使得透鏡的彎曲表面在環形區域中塌陷成薄板。如下圖所示，它具有鏡片的折射效果，而沒有相應的厚度或重量。這種透鏡通常在高架投影儀，聚光燈和信號燈中用作聚光鏡。
在OpTaliX中，環形面可以精確建模。因此，菲涅耳透鏡中的環形小平面的各種深度導致不同的像差。菲涅耳表面可以是折射，反射，非球面和偏心/傾斜的。也可以按數組分組。
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