全息光學元件設計的案例
利用全息光學元件在光纖后產生貝塞爾光束
不同于利用準直透鏡和錐透鏡的傳統方法，我們設計了一個集透鏡和錐透鏡功能于一體的全息光學元件(HOE)。這種光路是在VirtualLab Fusion中內置的。我們檢查了HOE的功能并檢查了HOE背后的光場演變。
建模任務
HOE的功能
HOE后不同位置的場
X-Z截面上的強度分布
走進VirtualLab Fusion
VirtualLab Fusion的工作流程
?通過編程定義定制的HOE功能
?正確地設置傅里葉變換
-傅里葉變換設置 – 案例討論 [用例]
?通過參數運行檢查不同參數的影響
-參數運行文件的使用 [用例]
VirtualLab Fusion技術
文件信息
延伸閱讀
-圓頂錐透鏡產生貝塞爾光束的建模
展開 [VirtualLab] 利用全息光學元件在光纖后產生貝塞爾光束
不同于利用準直透鏡和錐透鏡的傳統方法，我們設計了一個集透鏡和錐透鏡功能于一體的全息光學元件(HOE)。這種光路是在VirtualLab Fusion中內置的。我們檢查了HOE的功能并檢查了HOE背后的光場演變。
建模任務
HOE的功能
HOE后不同位置的場
X-Z截面上的強度分布
走進VirtualLab Fusion
VirtualLab Fusion的工作流程
? 通過編程定義定制的HOE功能
? 正確地設置傅里葉變換
- 傅里葉變換設置 – 案例討論 [用例]
? 通過參數運行檢查不同參數的影響
- 參數運行文件的使用 [用例]
VirtualLab Fusion技術
文件信息
延伸閱讀
- 圓頂錐透鏡產生貝塞爾光束的建模
展開 基于體全息光學元件可聚焦光伏光譜分裂系統的光柵-透鏡
光學系統將入射的太陽光分成不同的光譜帶來優化每個能隙單元的光譜響應。沒有晶格匹配限制，可以使用更廣泛類型的PV材料（包括有機物），以便更有效地利用太陽光譜。 此外，結優化可以集中于光譜帶的完全吸收而不是晶格匹配條件。
圖2.用于光譜分裂的全息光柵-透鏡CPV幾何結構。原理圖（a）、臺面和室外（可見光范圍）演示原型（分別為b和c）
光柵-透鏡光譜分離結構由位于平凸透鏡的入口孔徑處的平面透射光柵組成。入射光譜的一部分離軸（在15-30°）衍射到透鏡中。未被全息衍射的光在軸上進入透鏡，并在近軸焦點處會聚。衍射光譜分量進入透鏡離軸并且分散在這樣一個表面（對應透鏡的場曲和全息圖的色散特性的表面上）[4]。
光譜分裂系統可以使用具有高光學效率以及良好的反射和透射光譜特性的反射濾波器來實現，如圖1（a）所示。盡管已經展示了具有二向色性[5,6]和全息反射濾波器[7]的系統，但是它們具有以下缺點：
? 反射方法需要至少N-1個N結濾波器[5,6]，增加了系統復雜性，追跡靈敏度降低了可靠性。
? 反射方法需要頻譜分裂濾波器在集中照明下操作，以最小化濾波器的所需面積和成本。
? 二向色濾波器用于聚光結構的性能隨著非垂直入射光束而降低[8]。
使用圖2（a）中所示的光柵-透鏡幾何結構可以避免這些問題，用單個寬帶濾波器進行聚光之前分離光譜，從而減小了濾波器上的入射角和功率密度。此外，大型全息光學元件可以使用廉價的材料制造，例如重鉻酸鹽明膠（DCG）[9,10]和光聚合物[11]。
2. 光譜分裂評價函數
在本節中，定義了評估整個系統及其各個組件的頻譜性能的度量。
展開 模擬透射式體全息光柵拉曼光譜儀分光系統設計 | SYNOPSYS 光學設計軟件第76課
參考文獻：
[1]何振磊,盧啟鵬,丁海泉,高洪智.透射式體全息光柵拉曼光譜儀分光系統設計
[2][J].激光與光電子學進展,2015,52(12):214-220.
衍射光學元件設計
衍射元件在不斷發展的圖案生成領域扮演著重要的角色，其設計需要特定的技術，而這些技術與其他類型的元件所采用的技術大不相同。
在VirtualLab中可以找到用于衍射元件設計和優化的特定技術(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，引導用戶在不太了解該方法的條件下完成設計過程。過程中包含了對設計約束的自動檢查。
用于生成2D光標的衍射光束分束器設計
VirtualLab中的迭代傅里葉變換算法（IFTA）可以高效和靈活地設計定制化光束分束器。
生成LightTrans圖標的衍射擴散器設計
設計了兩個具有連續或離散相位分布的衍射擴散器，以生成LightTrans商標。并對其性能進行了研究。
展開 TIR Lens 之光學元件設計原則
綜觀以上，TIR Lens 之設計須考量澆口尺寸、分模線等限制，由注塑成型實驗得知，元件之成型優劣取決于熔膠進入澆口之速度與方向。高質量TIR 元件須留意殘留應力影響的效應，利用 Moldex3D分析工具，可協助產品設計與成型參數最適化之驗證。而在噴痕與包封之研究中，實際上還須留意三維充填效應，以減少二次包封及降低翹曲。
圖 1：Moldex3D 分析結果之溫度分布剖面
圖 2：產品因噴泉效應導致噴流痕及氣泡
塑膠光學注塑成型技術與應用發展
精密光學元件制程中最重要的就是要應用到精密元件的注塑成型制作技術，目前對光學元件注塑成型技術的研發，著重精密微注塑成型設備與微光學模具的開發制造。其中尤以微光學模具的開發制造最為關鍵與缺乏。綜合來說，光學精密元件在精密制程方面待開發的關鍵議題，在于微注塑成型機的光學模仁之設計與開發；不僅比傳統注塑成型模具復雜，精度要求也較高，目前較缺乏深入而有系統的研究。唯有在實驗和理論兩方面共同努力，以求更深入的探討，進而建立應用的通則，支援未來光電產業界對相關元件制作技術的掌握，俾可加速臺灣光電產業之技術提升。
注塑成型光學鏡片近來已大量應用于各種電子產品，然而厚度變化大與低殘留應力之要求，提高了鏡片制造的困難度。光學元件在 3C 產品中應用廣泛，無論是成像或非成像，光學元件在手機的相機、平面顯示器的背光模組及 LED 照明等產業需求非常明確，因此光學元件之注塑成型模具設計與分析有其必要性，而且是相關產業發展之關鍵技術。在此產業里不乏老字號的光學廠商。由于近年數位影像產品的市場崛起，光學元件產業與市場方有嶄新的風貌，尤其是數位相機與影像手機的市場快速發展，讓光學元件與鏡頭產業欣欣向榮，呈現有史以來的榮景。
展開 Ansys Zemax | 設計衍射光學元件（DOE）和超透鏡（metalens）
在這篇文章中，我們簡要介紹了使用 OpticStudio 設計衍射光學元件（DOE）和超透鏡（metalens）的過程。我們討論了相位面和局部光柵的概念。附件中還提供了一些有用的DLLs，以支持特殊的 DOE 或 metalens 設計方法。（聯系我們獲取文章附件）
本文討論了衍射光學元件（DOE）和超透鏡（metalens）的設計過程。主要目的是為剛接觸這個課題的設計者提供一個起點，看看 OpticStudio 有哪些方法可使用。
對包括 DOE/metalens 在內的系統進行模擬和設計總是很棘手，沒有通用的方法來處理所有情況。設計師需要根據具體情況決定其設計策略。許多情況下設計過程中需要兩種不同的光學理論/算法來分別處理光束在自由空間和微觀結構中的傳播[1-3]，而也有一些設計單純只使用光線追跡來實現。[4]
在這篇文章中，我們首先簡要介紹了一些可能的設計思路。有關自由空間和 DOE/metalens 中的相位面和傳播方法概念的更多細節將在后面討論。在最后一節，介紹了為特殊相位面設計定制的一些有用的 DLLs。
1. 設計思路
在這一節中，我們簡要地討論了一些經典的設計思路。
1.1 相位 -> 微結構 -> 實驗驗證
在這一過程中，用戶首先將 DOE/metalens 等效為其對應的相位面來在 OpticStudio 中用光線追跡的方法進行設計。然后根據得到的相位分布來設計微結構。圖1顯示了該過程的流程圖。該圖不包括設計的細節，例如，微結構可以是傳統閃耀光柵或現代超透鏡。根據微結構的類型，所需的設計和制造方法可能非常不同。
參考文獻[5]顯示了一個從給定的相位分布生成閃耀光柵的例子。它還討論了采用單點金剛石車削機的制造方式。
展開 自動刪減元件|SYNOPSYS光學設計軟件第90課
在光學設計中，人們有時會設計出一個很棒的鏡頭，但后來想知道是否可以用一個更簡單的結構來獲得同樣的性能，這樣就可以避免元件的數量過多。盡管多片的結構可以輕松達到成像的要求，但是往往會造成浪費，使成本大大提升。這個問題可以通過AED來回答，為光學系統刪減元件在保證成像質量的同時降低成本，同時AED 還可以結合AEI使用，以找到更多其他的可能性的結構來完成我們最終的設計。今天我們練習在一個四片式系統中使用AED指令刪減元件，以達到我們設想的結果。
如下是一個四片式鏡頭以及它的三階像差分析，MTF 和 RMS 光斑半徑。
四片式鏡頭的技術指標：
1.焦距f=100mm
2.D/f=1/4.5，F/#=4.5
3.波段：可見光
4.視場角2w=40°
鏡頭文件：
請聯系工作人員獲取
輸入非常簡單，只需要在優化宏文件上準備這樣一行代碼:
AED LLIB[QUIET/0][JSSS[JSPS]] [PCV [C]]
該程序首先使用輸入的優點函數優化當前鏡頭。然后，它依次查看從JSSS到JSPS的表面范圍內的每個元素，并對每個元素執行以下操作：
1.添加半徑和厚度的變量，如果它們還沒有在PANT文件中。
2.增加像差，使兩側曲率差為0。
3.向該元素的厚度添加一個0的目標。
4.優化系統。
如果一切看起來都令人滿意，則很容易刪除該元素：程序將顯示一個框，詢問您是否希望刪除該元素，如果單擊Yes按鈕，則該元素將消失。當該過程完成時，最佳案例將保存在庫位置LLIB中，并顯示在PAD中。PCV為曲率變化量像差的權重。輸入C會在顯示最佳情況和同意刪除該元件后再進行一次優化循環。
展開 光柵光學元件設計 Optiwave OptiGrating v4.2簡介
OptiGrating 主要針對以光柵原理設計的光學元件進行設計，目前有許多的通訊及感應裝置都是根據光柵原理所制造。如：波導光柵技術已被應用在 WDM 光通訊網路、雷射穩定器、溫度及應力感應器。以光柵原理設計之元件可籍由光線傳遞、反射及穿透光譜、群相位延遲、群射散等項目進行分析。 OptiGrating 提供了不同的選項來分析及設計標準的光纖光柵及波導光柵，例如：設計一個布拉格光纖光柵濾波器，其中包含了調整光柵形狀、長度、折射率變化方式、折射率變化值、周期變化值、光纖直徑及折射率值，當設定好這些參數后，就可以讓 OptiGrating 進行模擬其原理是根據耦合模型進行運算，而耦合模型則是使用轉換距陣來計算。
描述:
OptiGrating采用耦合模理論模型的光,使光柵的分析與綜合。
一個復雜的光柵逼近序列的均勻部分,并分析了連接段與著名的傳遞矩陣法。這給設計師所需的信息和優化光柵設計測試。
應用
* WDM添加/刪除,狹窄和寬帶光纖和波導濾波器
*纖維布拉格反射器
* EDFA增益壓扁的元素
*色散補償器的光纖通信
*邊帶抑制使用光柵切趾法
*光纖和波導傳感器
*長周期光柵和耦合到包層模式
展開 Ansys Zemax | 如何使用 Binary2 面型設計衍射光學元件
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概述
這篇文章介紹了如何在 OpticStudio 中建立衍射光學表面以及如何使用 Binary2（二元面2）模擬衍射光學元件。本文使用的示例文件請聯系工作人員下載。
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，但可以改變光的相位。有關建立衍射光學表面的詳細信息，見文章“OpticStudio 建模衍射光學表面”。
Binary2 中的衍射光焦度會在光學表面的截面上引入連續的相位變化：
其中系數 Ai 的單位為弧度。
由于相位變化在表面的截面上是連續的，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 面型模擬衍射光學元件的環形衍射區 ( Diffraction Zones) 的尺寸與該區域到表面頂點的徑向距離有關，如下圖所示。OpticStudio 可以自動計算每個環形衍射區的徑向坐標使相鄰區域的相位差為 2π。
Binary2 面型在固定徑向坐標處所引入的附加相位與波長無關。與波長相關的光程由下式給出：
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 FRED中全息元件的建模
簡單2點HOE：
圖1.兩個結構光與全息表面，每個點都會發出一個球面波，在全息表面形成干涉
指定結構光的位置
圖2.在表面的局部坐標系中給出的坐標。衍射級數是明確的。
圖3.從結構光1追跡光線
為什么光線在結構光＃2處不能完美聚焦？因為入射波通過HOE的玻璃厚度是有畸變的。
圖4.從結構光#2追跡光線
為什么光線在結構光＃2處不能完美聚焦？因為入射波通過HOE的玻璃厚度是有畸變的。
圖5.從結構光#1追跡光線，兩個衍射級次
圖6.添加相位
圖7.多色光線追跡
最初的HOE設計波長為0.5876um，作為一個衍射元件，會出現大量的色差。在本例中，光源包含3個波長：0.486、0.587和0.656 um。
? 一般來說設計者會在ZEMAX和CODE V中設計HOE的結構
? FRED可以讀取CODE V和ZEMAX的光學元件并精確地創建HOE，因此大多數用戶實際上從未手工輸入系數。（Zemax和Codev對HOE的描述不同，但FRED知道如何正確地解釋元件。）
展開 
FRED中全息元件的建模
簡單2點HOE：
圖1.兩個結構光與全息表面，每個點都會發出一個球面波，在全息表面形成干涉
指定結構光的位置
圖2.在表面的局部坐標系中給出的坐標。衍射級數是明確的。
圖3.從結構光1追跡光線
為什么光線在結構光＃2處不能完美聚焦？因為入射波通過HOE的玻璃厚度是有畸變的。
圖4.從結構光#2追跡光線
為什么光線在結構光＃2處不能完美聚焦？因為入射波通過HOE的玻璃厚度是有畸變的。
圖5.從結構光#1追跡光線，兩個衍射級次
圖6.添加相位
圖7.多色光線追跡
最初的HOE設計波長為0.5876um，作為一個衍射元件，會出現大量的色差。在本例中，光源包含3個波長：0.486、0.587和0.656 um。
? 一般來說設計者會在ZEMAX和CODE V中設計HOE的結構
? FRED可以讀取CODE V和ZEMAX的光學元件并精確地創建HOE，因此大多數用戶實際上從未手工輸入系數。（Zemax和Codev對HOE的描述不同，但FRED知道如何正確地解釋元件。）
展開 Ansys Zemax | 如何在OpticStudio中設計衍射光學元件（DOE）和超透鏡（metalens）
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本文討論了衍射光學元件（DOE）和超透鏡（metalens）的設計過程。主要目的是為剛接觸這個課題的設計者提供一個起點，看看OpticStudio有哪些方法可使用。
對包括DOE/metalens在內的系統進行模擬和設計總是很棘手，沒有通用的方法來處理所有情況。設計師需要根據具體情況決定其設計策略。許多情況下設計過程中需要兩種不同的光學理論/算法來分別處理光束在自由空間和微觀結構中的傳播，而也有一些設計單純只使用光線追跡來實現。
在這篇文章中，我們首先簡要介紹了一些可能的設計思路。有關自由空間和DOE/metalens中的相位面和傳播方法概念的更多細節將在后面討論。在最后一節，介紹了為特殊相位面設計定制的一些有用的DLLs。
1. 設計思路
在這一節中，我們簡要地討論了一些經典的設計思路。
1.1 相位 -> 微結構 -> 實驗驗證
在這一過程中，用戶首先將DOE/metalens等效為其對應的相位面來在OpticStudio中用光線追跡的方法進行設計。然后根據得到的相位分布來設計微結構。圖1顯示了該過程的流程圖。該圖不包括設計的細節，例如，微結構可以是傳統閃耀光柵或現代超透鏡。根據微結構的類型，所需的設計和制造方法可能非常不同。
參考文獻[5]顯示了一個從給定的相位分布生成閃耀光柵的例子。它還討論了采用單點金剛石車削機的制造方式。圖1所示的例子可以在附件 " phase profile example.zar "中找到。另外，參考文獻[3]顯示了如何使用Lumerical FDTD軟件為給定的相位分布設計metalens。
這種方法的缺點是，設計者可能無法檢查整個系統的性能。例如，沒有辦法檢查考慮所有衍射階數的真實點擴散函數（PSF）。
展開 SYNOPSYS 光學設計軟件---元件時鐘楔角誤差的公差分析 案例和像質誤差的 AI 分析
最后，我們將在鏡頭重 新聚焦和時鐘元件之后，檢查一組 100 個鏡頭的橫向色差的統計數據。
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您是否精通光學制造語言？——簡化光學元件制造流程
"人工智能技術正在對光學元件的制造優化流程進行深度革新，例如俄羅斯ITMO大學1和加拿大拉瓦爾大學2目前所做的研究。
"我們應盡可能地使用“制造鏈調制”這一技術，這樣就不會把時間浪費在可以由軟件完成的人際交流上，"費恩勒強調，"這樣就可以將更多的資源用于技術創新與高風險技術探索當中。"
2. “制造鏈調制”的技術勢能
"通過光學制造鏈調制技術，可在光學設計階段就對透鏡進行可制造性驗證，精準預測量產成本并確定關鍵制造路徑。由費恩勒聯合創立的PanDao軟件，正致力于實現從圖紙到成品的制造鏈智能仿真。"
以制造一款用于成像的75mm直徑礦物玻璃非球面彎月透鏡（背面為球面）為例，PanDao軟件測算顯示，在10,000片批量生產條件下，單件成本為69歐元（圖1）。系統推薦采用磁流變拋光技術加工非球面側，使用數控拋光處理球面側。
圖1.75mm直徑非球面彎月透鏡的制造鏈調制流程示意圖（圖片來源：M.Tinner/ PanDao）
費恩勒堅信PanDao等軟件具備與光學設計軟件進行深度互聯的技術潛力。然而，要實現全制造鏈調制的規模化效益仍需攻克多重挑戰。費恩勒表示，目前商業生產鏈的排序和工作量規劃也在進行構建中。
"下一階段將聚焦于調制工藝系統的復雜度與自動化程度。費恩勒指出：“如果下一階段可以實現，那么就能夠在整個光學系統生成鏈中都使用人工智能來進行輔助設計和規劃：從光學設計到制造，最終應用于生產。”
參考文獻：
1. Livshits I.L., Glebovskyi A.S., Protsuto M.V., Volkova S.L.
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