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透鏡設計

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創建者：匿名 創建時間：2021-12-22
透鏡設計圖1

透鏡設計的實例教程

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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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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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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研討會大綱 1.Ansys Zemax 軟件介紹 2.Ansys Lumerical 軟件介紹 3.FDTD 原理講解 4.超透鏡設計思路 5.超透鏡設計案例 研討會信息 主題：Ansys Zemax & Lumerical 聯合設計超透鏡案例 時間：2023年6月12日 15:00-15:45 主辦方：武漢宇熠科技有限公司 參與方式：騰訊會議（會議號：916-896-184） 費用：免費 如您對本次研討會有興趣，可長按識別上方二維碼，即刻報名（名額有限，額滿即止。） 另外，我們針對本次研討會創建了交流群，歡迎聯系工作人員申請進群！
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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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透鏡設計圖2

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借助光柵耦合器和微透鏡，實現光從光纖向波導的傳播與耦合 使用Lumerical亞波長模型插件對可變入射光的衍射反射進行仿真，并在Speos軟件中創建光譜錐光圖動畫 超透鏡的設計和仿真 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，然后導出用于制造的設計數據。這些仿真技術，可用于開發增強現實和緊湊型投影儀應用的透鏡。
另一方面，以盡可能高效率地將光耦合到光纖中往往是一項非常微妙的工作:在其他方面，光纖耦合透鏡必須精心設計，以確保焦點與光纖的傳播模式盡可能緊密地匹配。通過快速物理光學模擬VirtualLab Fusion中的參數優化，我們設計了一個圓錐表面的平凸透鏡，用于將光耦合到單模光纖中。
另一方面，以盡可能高效率地將光耦合到光纖中往往是一項非常微妙的工作:在其他方面，光纖耦合透鏡必須精心設計，以確保焦點與光纖的傳播模式盡可能緊密地匹配。通過快速物理光學模擬VirtualLab Fusion中的參數優化，我們設計了一個圓錐表面的平凸透鏡，用于將光耦合到單模光纖中。
在本OCAD光學系統自動設計軟件中在選擇“單透鏡及膠合透鏡結構設計”菜單時，出現設計窗口如圖2。 圖2.雙膠合透鏡初始設計窗體 在圖1中要求填寫透鏡的焦距、孔徑、系統對該透鏡的、、C要求值，再選擇使用玻璃材料的玻璃庫名以及根據系統結構具體情況決定玻璃組合形式是王冕在前還是火石在前。然后是選擇具體玻璃配對。在選擇玻璃配對時有三種方式。
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。 圖1.透鏡初始設計窗體 在圖1中選擇單透鏡后在窗體內中部會自動產生一個以折射率從1.47～1.92連續的玻璃材料的對應P值分布曲線圖，具體數據可以提供點擊工具條內“圖文”查看，大致了解單透鏡的P值與折射率n之間的對應關系。
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。 圖1.透鏡初始設計窗體 在圖1中窗體內中部會自動產生一個以折射率從1.47～1.92連續的玻璃材料的對應P值分布曲線圖，具體數據可以提供點擊工具條內“圖文”查看，大致了解單透鏡的P值與折射率n之間的對應關系。 反射棱鏡也是組成光學系統的一個常用元素。
設計和分析超透鏡 基于超構透鏡（PCA）實現聚焦與成像 5 微納加工工藝方案 微納加工完整流程概述 灰度曝光/直寫技術 刻蝕類工藝 其他輔助工藝 典型微納結構加工全流程實例 6 微納結構的表征 微納結構面型檢測
設計和分析超透鏡 基于超構透鏡（PCA）實現聚焦與成像
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。 圖1.光楔設計窗體 1、光楔的繪制 光楔也就是光學系統中常用的折射棱鏡，可以用以進行光線折轉實現系統掃描或變形處理。在光楔元件中又又單光楔和膠合光楔兩種，單光楔結構簡單，膠合光楔可以做消色差處理，各有用途。
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