透鏡設計的案例
OCAD應用：菲涅爾透鏡初始結構設計
OCAD應用：菲涅爾透鏡初始結構設計
OCAD應用：菲涅爾透鏡初始結構設計
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。
展開 Ansys Lumerical | 超透鏡設計第三部分：如何基于Lumerical以及OpticStudio完成全面的超透鏡設計
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。
展開 Ansys Lumerical | 超透鏡設計案例分享第二部分：OpticStudio 中的整體透鏡設計
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。
展開 免費研討會 | Ansys Zemax & Lumerical 聯合設計超透鏡案例
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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OCAD應用：菲涅爾透鏡初始結構設計
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。
展開 OCAD應用：菲涅爾透鏡初始結構設計
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。
展開 OCAD應用：菲涅爾透鏡初始結構設計
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。
展開 Lumerical | 超透鏡設計：Lumerical 與 Zemax 的互通性第一部分
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。
展開 OCAD：雙膠合透鏡初始設計
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，最后獲得一個滿足使用要求的系統結果。
圖1.單透鏡初始數據
在對系統零部件根據、、C求解初始結構參數時，首先還要根據其、、C的負擔選取零部件結構形式，比如是單透鏡，還是膠合透鏡，還是多片復合透鏡。總之，最后都落實到單透鏡或雙膠合透鏡上，對于消色差系統，特別多的還是雙膠合透鏡上。因此，雙膠合透鏡的設計計算在光學系統初始結構設計過程中十分重要。
雙膠合透鏡是由兩片不同光學材料的膠合在一起的光學透鏡結構形式。兩片玻璃通常一片是王冕玻璃，另一片是火石玻璃。往往要根據不同光學要求決定使用王冕在前還是火石在前，然后根據這一原則選擇具體玻璃牌號的配對。最后根據配對的兩片玻璃的光學參數計算該玻璃組合的、、C，反復選擇適合的玻璃組合，求取其、、C，看是否滿足系統對其、、C值的要求。這就是經典的、求解法。該方法至今適用。
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。
展開 設計和分析超透鏡
摘要
透鏡是一種透射光學裝置，通過改變相位來聚焦或發散光。與傳統透鏡不同，超透鏡的優點是能夠在非常薄的膜層中使用波長或更小尺寸的結構來實現所需的相位變化，而不需要復雜和大量的透鏡組。在這個例子中，我們展示了使用圓柱形介電納米柱的超透鏡的設計過程。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。對于初始設置，使用了E.Bayata的工作中的參數。
設計任務
仿真與設置：單平臺互操作性
連接建模技術：超透鏡
連接建模技術：自由空間傳播
接建模技術：探測器
超透鏡設計工作流程
創建理想相位
柱直徑與相位值
圓柱分布設計
利用所需的光學函數和所選類型的超透鏡單元所提供的相位值，可以設計出橫向分布。對于這一步，使用一個模塊，它選擇適當的圓柱直徑來產生所需相位的橫向分布。
在圓柱分布設計期間，超透鏡的預期響應和與初始期望函數的偏差也作為輸出傳遞：
設置超透鏡
此外，圓柱的高度和形狀以及材料需要在柱形幾何圖形選項卡中正確配置：
超透鏡的橫向延伸在“周期”選項卡中配置：
產生的超透鏡結構
模擬工作流程 步驟#1
為了模擬柱形結構的函數，采用了傅里葉模態法（FMM，也稱為RCWA）。因此使用了帶有通用光柵組件的光柵專用光路。與在設計階段使用的方法相比，結果相位現在包括了附近不同納米柱之間的相互作用。
模擬工作流程 步驟#2
在第二步中，使用保存函數組件在一般光路中進一步擴展真實結構的計算函數。
對照
圓柱結構導出
為了導出所設計的柱形結構，通過一個模塊支持GDSII和基于文本的導出。
展開 雙膠合透鏡初始設計
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，最后獲得一個滿足使用要求的系統結果。
圖1.單透鏡初始數據
在對系統零部件根據 、C求解初始結構參數時，首先還要根據其 、C的負擔選取零部件結構形式，比如是單透鏡，還是膠合透鏡，還是多片復合透鏡。總之，最后都落實到單透鏡或雙膠合透鏡上，對于消色差系統，特別多的還是雙膠合透鏡上。因此，雙膠合透鏡的設計計算在光學系統初始結構設計過程中十分重要。
雙膠合透鏡是由兩片不同光學材料的膠合在一起的光學透鏡結構形式。兩片玻璃通常一片是王冕玻璃，另一片是火石玻璃。往往要根據不同光學要求決定使用王冕在前還是火石在前，然后根據這一原則選擇具體玻璃牌號的配對。最后根據配對的兩片玻璃的光學參數計算該玻璃組合的 、C，反復選擇適合的玻璃組合，求取其 、C，看是否滿足系統對其 、C值的要求。這就是經典的、 求解法。該方法至今適用。
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。
展開 
[VirtualLab] 超透鏡的設計與分析
柱分布設計
在設計柱形分布時，將超構透鏡的預期響應和與初始期望函數的偏差作為輸出：
設置超構透鏡
設置超構透鏡
生成的超結構
模擬工作流程步驟#1
為了對柱結構的功能進行建模，采用了傅里葉模態法(FMM，也稱為RCWA)。為此，使用帶有通用光柵元件的光柵專用光學裝置。與設計階段使用的方法相反，現在的結果相位包括鄰近不同柱的相互作用。
步驟#1： 光柵專用光學裝置 結果：超構透鏡后的相位（以及振幅未顯示）
模擬工作流程步驟#2
在第二步中，使用存儲函數元件將實際結構計算的函數進一步傳播到通用光學設置中。
對比
導出柱結構
為了導出所設計的柱結構，通過模塊支持GDSII和基于文本的導出。
展開 OCAD：雙膠合透鏡初始設計
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，最后獲得一個滿足使用要求的系統結果。
圖1.單透鏡初始數據
在對系統零部件根據、、C求解初始結構參數時，首先還要根據其、、C的負擔選取零部件結構形式，比如是單透鏡，還是膠合透鏡，還是多片復合透鏡。總之，最后都落實到單透鏡或雙膠合透鏡上，對于消色差系統，特別多的還是雙膠合透鏡上。因此，雙膠合透鏡的設計計算在光學系統初始結構設計過程中十分重要。
雙膠合透鏡是由兩片不同光學材料的膠合在一起的光學透鏡結構形式。兩片玻璃通常一片是王冕玻璃，另一片是火石玻璃。往往要根據不同光學要求決定使用王冕在前還是火石在前，然后根據這一原則選擇具體玻璃牌號的配對。最后根據配對的兩片玻璃的光學參數計算該玻璃組合的、、C，反復選擇適合的玻璃組合，求取其、、C，看是否滿足系統對其、、C值的要求。這就是經典的、求解法。該方法至今適用。
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。
展開 OCAD：單透鏡與雙膠合透鏡結構組合設計
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。
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。
有些系統因外形尺寸或像差分配要求的原因，一個單獨的單透鏡或雙膠合透鏡無法滿足要求，必須進一步對結構要做復雜化處理，必須使用多透鏡組合。在這種情況下由一個單透鏡和一個雙膠合透鏡的組合往往是首選對象。在需要選擇單透鏡與雙膠合組成的三透鏡的結構形式時，其窗體如圖2所示。在窗體內應首先選擇組合中單透鏡和雙膠合透鏡的焦距分配比例，然后再選擇單透鏡的玻璃材料，最后根據單透鏡的像差貢獻計算雙膠合透鏡相應的組合方案，從中選擇合適的雙膠合透鏡玻璃配對，便可自動設計出基本滿足設計要求的初步結構數據如圖3所示及圖4所示。
圖2.單透鏡-雙膠合透鏡組合設計窗體
圖3.選擇單透鏡玻璃后的設計窗體
圖4.單透鏡-雙膠合透鏡組合結構數據
在選擇單透鏡玻璃之后，可以選擇玻璃組合，王冕在前或者火石在前。如需雙膠合透鏡能夠在前，也要先選擇單透鏡玻璃材料，再根據單透鏡的像差貢獻選擇雙膠合透鏡。選擇方法與前面相同。最后結果如圖5所示。
圖5.雙膠合-單透鏡透鏡組合結構數據
展開 Ansys Speos | 基于 Workbench 和 Speos 的準直全反射透鏡優化設計案例
在使用Speos進行光學系統設計過程中，當完成初始光學系統建模后，還需要進一步結合仿真結果，調整出滿足設計要求的系統參數，如果采用手動調整參數并執行多次仿真的方式，會大大影響設計效率。借助Ansys Workbench的優化功能，通過設置設計目標和約束條件，可以驅動Speos仿真流，自動修改設計參數并執行仿真計算和優化設計，從而準確高效地獲得符合設計要求的設計參數。本文以全反射透鏡Total Internal Reflection (TIR Lens)為例，介紹利用Workbench直接優化工具驅動Speos自動化仿真從而實現準直全反射透鏡優化設計的方法。
Speos透鏡設計及仿真
Speos的光學元件設計模塊(Optical Part Design，OPD)可以用于設計全反射透鏡、菲尼爾透鏡和光導管等等，本文案例利用OPD模塊實現對TIR Lens的建模。本次透鏡設計的主要目標是在照度探測器上的測試區域內得到盡量均勻的光照，所以主要考慮的是RMS值，越小的RMS值表示均勻性越好。TIR Lens的光學參數和光路邏輯如圖1中所示，包括內表面半徑、外表面半徑、透鏡厚度和基面位置等等。如果沒有可以參考的光學參數，可以先使用Speos軟件默認的參數進行建模仿真，仿真要注意設置透鏡整體為透明玻璃，外表面為全反射，透鏡到照度探測器的距離為1 m。基于軟件默認的設計參數，TIR Lens照度仿真結果中的目標區域RMS值為0.74，體現出的照度均勻度較差，需要采用Workbench的直接優化功能對設計參數進行優化，以獲得均勻度更好、滿足RMS值要求的設計結果。
圖1.
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