微納光學元件設計的案例
衍射及微納光學系統的分析、設計與加工技術
時間地點：
主辦單位：訊技光電科技（上海）有限公司（微信公眾號：infotek）；蘇州黌論教育咨詢有限公司（微信公眾號：honglun-seminary）
授課時間：2023年12月28日（四）-30日(六）共3天 AM 9:00-PM 16:00
授課地點：上海市嘉定區南翔銀翔路819號中暨大廈18樓1805室
課程講師：訊技光電高級工程師
課程費用：5000RMB(課程包含課程材料費、開票稅金、午餐費用)
課程概要：
本課程從基本衍射原理開始，逐步闡明光的衍射本質以及衍射光學元件的工作原理。在基礎衍射理論基礎之上，進一步討論衍射光學元件的設計方法。在傳統衍射光學理論之上，再進一步討論微納光學領域中的矢量衍射理論，并以此為基礎闡明多種微納光學元件（如偏振元件）的設計理念。與理論設計相應的，課程中另一個重要方面是加工技術。如何根據需要選擇合適的加工技術，是以質量為先還是需要考慮批量加工成本，這些問題也會在課程中討論。此外，更重要的一點是，衍射和微納元件的設計與加工技術往往是關聯的，甚至是有所制約的。因此，我們會在課程中指明元件加工工藝以及設計方法之間的關系，并且在講授相關內容的同時輔以VirtualLab Fusion在此方面的設計及建模方法，從而做到真正的學以致用，加速在微納光學領域的領悟及開拓。
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
授課時間：：2026/5/28（四）-5/29（五）（各城市并行開課）
課程時數：2天/城市
授課地點：深圳市光明區鳳凰街道尚智科技園1棟B座1503
課程講師：訊技光電工程師隊
課程費用：3600RMB/1人次
(課程包含課程材料費、開票稅金、午餐費)
課程簡介
Course Introduction
光柵是現代光學系統中最為常用的一種衍射光學元件。隨著制作工藝的不斷提升，光柵的尺寸也越做越小。相應地，光柵分析必須使用基于矢量電磁場原理的方法。本課程使用光之數字模型平臺VirtualLab Fusion，介紹如何使用傅里葉模態法對光柵進行嚴格精確的仿真。課程涵蓋的光柵示例既有表面型光柵，也有全息型體光柵，例如傾斜光柵、閃耀光柵、用于光學超透鏡的Nanopillar結構等。此外還會介紹超表面的設計和參數優化和大角度超光柵仿真。該課程無需軟件基礎。
展開 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 
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 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 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
附件下載
聯系工作人員獲取附件
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 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。
（更多精彩技術案例，請關注“武漢墨光”微信公眾號）
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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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?；б嫒孕韫タ硕嘀靥魬?。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.
展開 GLAD中二元光學元件建模
近年來人們開始研究二元光學元件(BOE)在光束整形方面的作用。二元光學元件是在計算機制全息圖和相息圖研究發展的基礎上，利用計算機設計和微電子加工技術研制成的一種高效率的新型光學元件。由于它能靈活控制波前，因此在光束整形方面有著廣泛的應用前景。
二元光學的優點——高衍射效率；獨特的色散性能；更多的設計自由度；寬廣的材料選擇；獨特的光學功能。
圖1表面進行劃分從而形成一個二元光學元件
二元光學器件分為主階次和帶有幾個次階次的連續界面。在二元光學中，每個主階次上的次階次數目通常設置為2、4、8等。GLAD中產生二元光學元件命令如下所示：
binary/lens/surface kbeam xrad yrad level nlevels
int2phase/two kbeam1 kbeam2 [2.*pi*(rindex-1)/lambda]
binary/lens/phasescreen ibeams rindex xrad yrad level nlevels
binary/lens/residual ibeams rindex xrad yrad level nlevels
binary/surface kbeam level nlevels
這些命令執行的是產生二元光學的光柵和透鏡，其二元光學表面可以由binary/surface 命令產生，并直接或者間接依靠 int2phase、int2waves、sfocus起著相位屏的作用。二元光學表面可以圖示為plot的強度項。
binary/surface 命令能夠將任意分布的光場轉化為二元光學器件的面形。
展開 用于一般光學系統的光柵元件
摘要
光柵是光學中最常用的衍射元件之一。如今，它們經常被用于復雜的系統中，并與其他元件一起工作。在這種情況下，非常需要將光柵不僅僅是作為孤立的元件來模擬，而是與系統的其余部分結合，以評估整個系統性能。VirtualLab Fusion提供了一個獨特的光柵元件，允許在光路中輕松地包含各種不同形狀的光柵，無論是一維周期光柵(層狀)，二維周期光柵，或體(布拉格)光柵。本用例介紹了該元件的功能，包括光柵級次的設置和堆棧的定位。
系統內光柵建模
? 在一般光路中，光柵元件可以插入到系統的任何位置。
? 這使得在一個復雜的系統中對光柵進行建模，并因此評估整個系統的性能成為可能，同時考慮光柵的可能影響。
? 光柵元件可以通過元件 > 單個表面&堆棧 > 光柵找到。
附著光柵堆棧
? 為了描述系統內的光柵，光柵堆?？偸歉街谝粋€虛擬參考面上(僅平面)。
? 元件的大小僅用于在3D光線追跡視圖中顯示；仿真中不考慮孔徑效應。
? 參考面可以在三維系統視圖中可視化，以幫助排列光柵。
? 所應用的光柵結構可以是一維周期(層狀)，也可以是二維周期(交叉光柵)。
堆棧的方向
堆棧的方向可以用兩種方式指定：
它既可以應用在表面的正面，也可以應用在背面(在固體標簽中定義)。
請注意，如果堆棧位于正面，堆棧將繞Z軸旋轉180°。這會影響堆棧的內部坐標系，需要在定義高度輪廓時加以考慮。
基底的處理、菲涅耳損耗和衍射角
? 作為一種慣例，往往忽略基底的影響，例如衍射效率的計算。
展開 GLAD中二元光學元件建模
二元光學的優點——高衍射效率；獨特的色散性能；更多的設計自由度；寬廣的材料選擇；獨特的光學功能。
通常激光光強分布呈高斯型，而在許多實際應用中，需要將光強分布加以轉換，即光束整形，如呈平頂狀和環狀等。以往人們多用計算全息法實現環形分布，但衍射效率低，難于推廣。近年來人們開始研究二元光學元件(BOE)在光束整形方面的作用。二元光學元件是在計算機制全息圖和相息圖研究發展的基礎上，利用計算機設計和微電子加工技術研制成的一種高效率的新型光學元件。由于它能靈活控制波前，因此在光束整形方面有著廣泛的應用前景。
前言
binary/surface 命令能夠將任意分布的光場轉化為二元光學器件的面形。
這些命令執行的是產生二元光學的光柵和透鏡，其二元光學表面可以由binary/surface 命令產生，并直接或者間接依靠 int2phase、int2waves、sfocus起著相位屏的作用。二元光學表面可以圖示為plot的強度項。
binary/surface kbeam level nlevels
binary/lens/residual ibeams rindex xrad yrad level nlevels
binary/lens/phasescreen ibeams rindex xrad yrad level nlevels
int2phase/two kbeam1 kbeam2 [2.
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