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課程三十一：超消色差本課將探索 SYNOPSYS 的一個(gè)獨(dú)特功能，當(dāng)您需要出色的色差校正時(shí)，它可以提供幫助，甚至比復(fù)消色差更好。假設(shè)您正在設(shè)計(jì)一個(gè)在 0.4 到 0.9 微米范圍內(nèi)使用的鏡頭。你能用復(fù)消色差嗎？讓我們來(lái)看看。這是一個(gè)初始結(jié)構(gòu)的 RLE 文件，除了最后一個(gè)表面外，所有表面都是平的，這將為我們提供一個(gè) 6 英寸孔徑 F / 8 望遠(yuǎn)鏡物鏡。

軟件仿真模擬得到的超構(gòu)光學(xué)透鏡的聚焦光斑強(qiáng)度分布圖，左邊為超構(gòu)透鏡位于空氣中，右邊為透鏡位于油中 相關(guān)產(chǎn)品 Ansys Lumerical FDTD 實(shí)驗(yàn)測(cè)試與仿真模擬得到的超構(gòu)光學(xué)透鏡聚焦光斑強(qiáng)度對(duì)比，左邊為超構(gòu)透鏡位于空氣中，右邊為透鏡位于油中。

3、超透鏡像素單元的優(yōu)化計(jì)算TiO2柱子單元的透射率、相位等情況，計(jì)算結(jié)果如下： 接下來(lái)，我們討論不同拓?fù)浜蓴?shù)的渦旋超透鏡的相位分布、超透鏡建模、聚焦性能、拓?fù)浜蛿?shù)與設(shè)計(jì)的是否對(duì)應(yīng)等等，具體如下表所示：不同拓?fù)浜蓴?shù)對(duì)應(yīng)的超透鏡相位分布(從上往下表示的含義：拓?fù)浜蓴?shù)、渦旋相位、普通超透鏡橫截面相位、渦旋超透鏡相位，渦旋超透鏡FDTD建模、xz截面的聚焦情況、xy截面的光場(chǎng)分布

因此，我們第一步要做的便是對(duì)不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下的超透鏡單元進(jìn)行仿真模擬，并輸出其掃描相位結(jié)果，如圖1所示為簡(jiǎn)單的矩形介質(zhì)結(jié)構(gòu)超表面通過(guò)腳本掃描得到的結(jié)果。在這一過(guò)程中，通常需要點(diǎn)監(jiān)視器、面監(jiān)視器以及其他監(jiān)視器的協(xié)同，并通過(guò)腳本或者FDTD自帶的掃描功能對(duì)相位結(jié)果進(jìn)行輸出。

圖1：X射線復(fù)消色差聚焦原理：折射透鏡和菲涅爾波帶片以特定間隔前后放置，色差相互糾正，三種不同的能量/波長(zhǎng)的X射線可同時(shí)聚焦于點(diǎn)F。 在可見(jiàn)光領(lǐng)域，消色差和復(fù)消色差透鏡存在已有百年之久。而在X射線領(lǐng)域，直到2022年世界上首個(gè)消色差透鏡才剛剛問(wèn)世。

4.超表面對(duì)傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)的革新與設(shè)計(jì)難題傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)通常由多個(gè)分立組件構(gòu)成，例如消色差透鏡組需通過(guò)多個(gè)折射組件的組合實(shí)現(xiàn)色差校正，這類(lèi)系統(tǒng)不僅體積龐大，還需對(duì)各組件進(jìn)行單獨(dú)安裝與精準(zhǔn)對(duì)準(zhǔn)，增加了系統(tǒng)設(shè)計(jì)與制備的復(fù)雜度。

RCWA求解算法將作為單元原子模擬的推薦/補(bǔ)充工具引入，并與FDTD進(jìn)行比較以進(jìn)行驗(yàn)證。第3步：整體透鏡設(shè)計(jì)一旦從第2步構(gòu)建了相位/光場(chǎng)相對(duì)于半徑的庫(kù)，就有兩種方法可用于設(shè)計(jì)和分析超透鏡整體：直接仿真：根據(jù)上一步的目標(biāo)相位分布以及其相對(duì)于半徑的數(shù)據(jù)情況，在FDTD中構(gòu)建和模擬完整的超透鏡。

這種方法對(duì)與2D的聚焦超透鏡尚且可用，但對(duì)于3D超透鏡或者更為復(fù)雜功能的超透鏡來(lái)說(shuō)，僅通過(guò)自己手動(dòng)尋找的方法會(huì)大大增加建模的時(shí)間，如圖2所示為3D的聚焦超透鏡相位圖和渦旋超透鏡相位圖（這兩張相位圖也是直接通過(guò)FDTD腳本進(jìn)行計(jì)算和輸出的）。

RCWA求解算法將作為單元原子模擬的推薦/補(bǔ)充工具引入，并與FDTD進(jìn)行比較以進(jìn)行驗(yàn)證。第3步：整體透鏡設(shè)計(jì)一旦從第2步構(gòu)建了相位/光場(chǎng)相對(duì)于半徑的庫(kù)，就有兩種方法可用于設(shè)計(jì)和分析超透鏡整體：直接仿真：根據(jù)上一步的目標(biāo)相位分布以及其相對(duì)于半徑的數(shù)據(jù)情況，在FDTD中構(gòu)建和模擬完整的超透鏡。

此外，超透鏡還可以使用大規(guī)模生產(chǎn)半導(dǎo)體芯片所用的工藝和設(shè)備來(lái)制造。超透鏡還可以聚焦或過(guò)濾特定顏色或波長(zhǎng)，從而顯著減少色差。得益于這些優(yōu)勢(shì)，超透鏡有望在許多應(yīng)用中替代傳統(tǒng)折射透鏡，包括增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)眼鏡中的投影系統(tǒng)，用于內(nèi)窺鏡的纖薄緊湊型雙向成像/投影透鏡，以及手機(jī)和無(wú)人機(jī)中的成像攝像頭。Ansys Lumerical FDTD軟件中的超透鏡仿真。

RCWA求解算法將作為單元原子模擬的推薦/補(bǔ)充工具引入，并與FDTD進(jìn)行比較以進(jìn)行驗(yàn)證。第3步：整體透鏡設(shè)計(jì)一旦從第2步構(gòu)建了相位/光場(chǎng)相對(duì)于半徑的庫(kù)，就有兩種方法可用于設(shè)計(jì)和分析超透鏡整體： 直接仿真：根據(jù)上一步的目標(biāo)相位分布以及其相對(duì)于半徑的數(shù)據(jù)情況，在FDTD中構(gòu)建和模擬完整的超透鏡。

在這篇文章中，我們簡(jiǎn)要介紹了使用 OpticStudio 設(shè)計(jì)衍射光學(xué)元件（DOE）和超透鏡（metalens）的過(guò)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(shè)計(jì)方法。（聯(lián)系我們獲取文章附件） 本文討論了衍射光學(xué)元件（DOE）和超透鏡（metalens）的設(shè)計(jì)過(guò)程。

主要集中在光子學(xué)多物理場(chǎng)求解器增強(qiáng)，FDTD GPU 加速支持，超透鏡流程優(yōu)化，鈮酸鋰調(diào)制器支持，光子集成電路仿真能力增強(qiáng)， GUI增強(qiáng)和云計(jì)算支持等。 光子學(xué)核心技術(shù) 1、RCWA 功能增強(qiáng)?新增 RCWA求解器下的電磁場(chǎng)監(jiān)視器，用于更多類(lèi)似超透鏡的仿真驗(yàn)證需求。?支持非正交結(jié)構(gòu)單元的仿真求解，可以實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜光柵結(jié)構(gòu)的快速仿真。

一種超材料的電場(chǎng)圖（2）超材料板塊該板塊主要以案例為主，分別對(duì)多個(gè)論文中的超材料吸波體、可調(diào)超材料以及超透鏡進(jìn)行復(fù)現(xiàn)和說(shuō)明。在本板塊將對(duì)所有結(jié)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)化建模，并對(duì)輸出曲線進(jìn)行相關(guān)處理，此外還包括超透鏡的計(jì)算和整體3D建模，實(shí)現(xiàn)一鍵式腳本建模方法。

色差的矯正只能依靠材料，哪怕是雙膠合消色差物鏡，消色差的原理仍然是材料，低折射率高阿貝數(shù)的冕牌玻璃和高折射率低阿貝數(shù)的火石玻璃就可以矯正色差，對(duì)于復(fù)雜的系統(tǒng)，一般會(huì)用錘形優(yōu)化來(lái)替換玻璃材料，優(yōu)化方法我們后續(xù)講到。來(lái)源：瑞雪紛飛光學(xué)

-平面透鏡的薄型輪廓可能為減少透鏡表面之間的間距提供更多選擇。-平面透鏡的制造方法與傳統(tǒng)透鏡不同，這在特定情況下可能帶來(lái)優(yōu)勢(shì)。-平面透鏡可能為可切換透鏡提供新的機(jī)會(huì)。-用平面表面替換厚透鏡表面會(huì)改變系統(tǒng)中的像差動(dòng)態(tài)，這可能會(huì)根據(jù)具體情況增強(qiáng)像差校正的可能性。-使用具有強(qiáng)烈且相反色差的衍射透鏡來(lái)抵消光滑透鏡表面的色差，是這種潛力的一個(gè)充分記錄的實(shí)例。

-平面透鏡的薄型輪廓可能為減少透鏡表面之間的間距提供更多選擇。-平面透鏡的制造方法與傳統(tǒng)透鏡不同，這在特定情況下可能帶來(lái)優(yōu)勢(shì)。-平面透鏡可能為可切換透鏡提供新的機(jī)會(huì)。-用平面表面替換厚透鏡表面會(huì)改變系統(tǒng)中的像差動(dòng)態(tài)，這可能會(huì)根據(jù)具體情況增強(qiáng)像差校正的可能性。-使用具有強(qiáng)烈且相反色差的衍射透鏡來(lái)抵消光滑透鏡表面的色差，是這種潛力的一個(gè)充分記錄的實(shí)例。

在圖8中，顯示了我們可以將一個(gè)相位轉(zhuǎn)換為閃耀光柵或超原子。一般來(lái)說(shuō)，metalens有更多的自由度，可以獲得更好的效率或?qū)崿F(xiàn)更多的功能，盡管于此同時(shí)它也對(duì)設(shè)計(jì)和制造也提出了挑戰(zhàn)。圖8：光柵可以被制作成傳統(tǒng)的二元光柵、閃耀光柵或超透鏡（metalens）3. 一些有用的DLLs這里提供了一些DLLs來(lái)補(bǔ)充OpticStudio目前還不支持的原生特殊表面類(lèi)型。

消色差透鏡 2. 分束器 3. 自由空間傳播 4. 帶樣本的反射鏡 5. 參考鏡 6.

物光路徑利用物鏡和消色差雙合透鏡（L1）對(duì)超透鏡成像，參考光則通過(guò)調(diào)節(jié)透鏡 L2 在 x 方向的位置，以特定角度入射至 CCD，實(shí)現(xiàn)離軸干涉。為優(yōu)化干涉圖案重疊效果，還利用透鏡 L2 和 L3 對(duì)參考光束進(jìn)行擴(kuò)展。針對(duì)不同偏振態(tài)入射光響應(yīng)的測(cè)量需求，光路中加入半波片、圓偏振片和檢偏器。該裝置相位測(cè)量精度達(dá) 0.05rad（<3°），展現(xiàn)出良好的性能。