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圖1.菲涅爾透鏡結(jié)構(gòu)形式菲涅爾透鏡是一種利用多層環(huán)形圓錐表面構(gòu)成的特殊面型結(jié)構(gòu)，用以使光線按預(yù)定會(huì)聚角會(huì)聚的光學(xué)元件，他等效于一個(gè)球面透鏡，如圖2所示。菲涅爾透鏡多用于要求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的大孔徑非成像系統(tǒng)，特別是照明系統(tǒng)更為常見。這類系統(tǒng)往往只需要一個(gè)單片透鏡，工藝簡(jiǎn)單可以模壓成形。在對(duì)該類透鏡初始結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)利用 OCAD 程序也非常簡(jiǎn)單。

圖1.菲涅爾透鏡結(jié)構(gòu)形式 菲涅爾透鏡是一種利用多層環(huán)形圓錐表面構(gòu)成的特殊面型結(jié)構(gòu)，用以使光線按預(yù)定會(huì)聚角會(huì)聚的光學(xué)元件，他等效于一個(gè)球面透鏡，如圖2所示。菲涅爾透鏡多用于要求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的大孔徑非成像系統(tǒng)，特別是照明系統(tǒng)更為常見。這類系統(tǒng)往往只需要一個(gè)單片透鏡，工藝簡(jiǎn)單可以模壓成形。在對(duì)該類透鏡初始結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)利用 OCAD 程序也非常簡(jiǎn)單。

圖1.菲涅爾透鏡結(jié)構(gòu)形式 菲涅爾透鏡是一種利用多層環(huán)形圓錐表面構(gòu)成的特殊面型結(jié)構(gòu)，用以使光線按預(yù)定會(huì)聚角會(huì)聚的光學(xué)元件，他等效于一個(gè)球面透鏡，如圖2所示。菲涅爾透鏡多用于要求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的大孔徑非成像系統(tǒng)，特別是照明系統(tǒng)更為常見。這類系統(tǒng)往往只需要一個(gè)單片透鏡，工藝簡(jiǎn)單可以模壓成形。在對(duì)該類透鏡初始結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)利用 OCAD 程序也非常簡(jiǎn)單。

菲涅爾透鏡（Fresnel lens），是由法國(guó)物理學(xué)家奧古斯丁·菲涅爾所發(fā)明的一種透鏡。此設(shè)計(jì)原來(lái)被應(yīng)用于燈塔，可以建造更大孔徑的透鏡，其特點(diǎn)是焦距短，且比一般的透鏡的材料用量更少、重量與體積更小。

圖5.菲涅爾透鏡在YZ平面的 Ey 場(chǎng) 圖6.菲涅爾透鏡在YZ平面的 Ey 場(chǎng)沿Z軸切片 將透鏡設(shè)計(jì)改為超透鏡后，得到了相似的結(jié)果。其焦點(diǎn)峰值位于 8.0475μm 處，但光斑尺寸更大。兩種設(shè)計(jì)結(jié)果的差異源于超構(gòu)透鏡中高透過(guò)率區(qū)的折射率對(duì)比度不同且透射率較低。

圖1.菲涅爾透鏡結(jié)構(gòu)形式 菲涅爾透鏡是一種利用多層環(huán)形圓錐表面構(gòu)成的特殊面型結(jié)構(gòu)，用以使光線按預(yù)定會(huì)聚角會(huì)聚的光學(xué)元件，他等效于一個(gè)球面透鏡，如圖2所示。菲涅爾透鏡多用于要求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的大孔徑非成像系統(tǒng)，特別是照明系統(tǒng)更為常見。這類系統(tǒng)往往只需要一個(gè)單片透鏡，工藝簡(jiǎn)單可以模壓成形。在對(duì)該類透鏡初始結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)利用 OCAD 程序也非常簡(jiǎn)單。

附件下載聯(lián)系工作人員獲取附件在這個(gè)例子中，我們研究一個(gè)球面菲涅爾透鏡。透鏡的曲率半徑為100cm，直徑為4.8cm。由于該結(jié)構(gòu)的尺寸較大，我們必須使用該結(jié)構(gòu)的二維近似。透鏡的焦點(diǎn)可以用FDTD遠(yuǎn)場(chǎng)投影函數(shù)來(lái)研究。 編輯 鏡頭設(shè)計(jì)和設(shè)置我們將考慮基于簡(jiǎn)單球面設(shè)計(jì)的菲涅爾透鏡。

附件下載聯(lián)系工作人員獲取附件簡(jiǎn)介在這個(gè)例子中，我們研究一個(gè)球面菲涅爾透鏡。透鏡的曲率半徑為100cm，直徑為4.8cm。由于該結(jié)構(gòu)的尺寸較大，我們必須使用該結(jié)構(gòu)的二維近似。透鏡的焦點(diǎn)可以用FDTD遠(yuǎn)場(chǎng)投影函數(shù)來(lái)研究。 鏡頭設(shè)計(jì)和設(shè)置我們將考慮基于簡(jiǎn)單球面設(shè)計(jì)的菲涅爾透鏡。我們假設(shè)透鏡的曲率半徑為 100cm，透鏡直徑為 4.8cm。

球面和非球面界面用于在成像系統(tǒng)中創(chuàng)建透鏡和反射鏡。在非成像光學(xué)中，自由曲面被用來(lái)故意引入特定的像差以塑造光的能量分布。在每種情況下，表面都將入射波前的相位轉(zhuǎn)換為符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的特定輸出相位。平面表面可以實(shí)現(xiàn)通常通過(guò)光滑表面進(jìn)行的相同相位變換。本文探討了設(shè)計(jì)平面透鏡的基本原理，包括菲涅爾透鏡、衍射透鏡和超透鏡。所有示例均使用VirtualLab Fusion (VLF) 軟件進(jìn)行。

本文所采用的透鏡模型是Speos OPD模塊中的全反射透鏡模型，相關(guān)方法同樣適用于光導(dǎo)管、全反射面和菲尼爾透鏡等Speos中的其他模型。

球面和非球面界面用于在成像系統(tǒng)中創(chuàng)建透鏡和反射鏡。在非成像光學(xué)中，自由曲面被用來(lái)故意引入特定的像差以塑造光的能量分布。在每種情況下，表面都將入射波前的相位轉(zhuǎn)換為符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的特定輸出相位。平面表面可以實(shí)現(xiàn)通常通過(guò)光滑表面進(jìn)行的相同相位變換。本文探討了設(shè)計(jì)平面透鏡的基本原理，包括菲涅爾透鏡、衍射透鏡和超透鏡。所有示例均使用VirtualLab Fusion (VLF) 軟件進(jìn)行。

1、超透鏡-菲涅爾透鏡

這些軟件包使您能夠同時(shí)對(duì)單個(gè)透鏡或多個(gè)透鏡進(jìn)行仿真。借助光柵耦合器和微透鏡，實(shí)現(xiàn)光從光纖向波導(dǎo)的傳播與耦合使用Lumerical亞波長(zhǎng)模型插件對(duì)可變?nèi)肷涔獾难苌浞瓷溥M(jìn)行仿真，并在Speos軟件中創(chuàng)建光譜錐光圖動(dòng)畫超透鏡的設(shè)計(jì)和仿真仿真軟件可以顯示光如何穿過(guò)具有不同元原子布局和尺寸的超透鏡，然后導(dǎo)出用于制造的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。

菲涅耳透鏡被構(gòu)造成使得透鏡的彎曲表面在環(huán)形區(qū)域中塌陷成薄板。如下圖所示，它具有鏡片的折射效果，而沒(méi)有相應(yīng)的厚度或重量。這種透鏡通常在高架投影儀，聚光燈和信號(hào)燈中用作聚光鏡。在OpTaliX中，環(huán)形面可以精確建模。因此，菲涅耳透鏡中的環(huán)形小平面的各種深度導(dǎo)致不同的像差。菲涅耳表面可以是折射，反射，非球面和偏心/傾斜的。也可以按數(shù)組分組。

設(shè)計(jì)流程1.用Zemax OpticStuido設(shè)計(jì)鏡頭系統(tǒng)，并將相應(yīng)的透鏡數(shù)據(jù)傳輸?shù)?em>Speos，從Zemax OpticStudio轉(zhuǎn)移鏡頭CAD模型到Speos有兩種方法：一種是使用Speos-Zemax光學(xué)透鏡導(dǎo)入工具，該工具可以通過(guò)Ansys store訪問(wèn)，另一種是將透鏡系統(tǒng)導(dǎo)出為Zemax OpticStudio中的STEP文件，并將其插入到Speos中。

在這里，使用ZOS設(shè)計(jì)的高效手機(jī)相機(jī)鏡頭系統(tǒng)，通過(guò)使用Zemax importer工具可以讀取ZOS透鏡數(shù)據(jù)參數(shù)，并根據(jù)它們的數(shù)學(xué)表示自動(dòng)重建每個(gè)透鏡，作為基于CAD的Speos透鏡特性幾何數(shù)據(jù)，并訪問(wèn)所有透鏡參數(shù)。此外，該工具將ZOS材料轉(zhuǎn)換為Speos材料格式，并將光學(xué)特性應(yīng)用到透鏡上。該成像過(guò)程使用一個(gè)照度傳感器。所有幾何圖形的參考點(diǎn)、原點(diǎn)和照度傳感器對(duì)應(yīng)于圖像平面的位置。

設(shè)計(jì)流程 用Zemax OpticStuido設(shè)計(jì)鏡頭系統(tǒng)，并將相應(yīng)的透鏡數(shù)據(jù)傳輸?shù)?em>Speos，從Zemax OpticStudio轉(zhuǎn)移鏡頭CAD模型到Speos有兩種方法：一種是使用Speos-Zemax光學(xué)透鏡導(dǎo)入工具，該工具可以通過(guò)Ansys store訪問(wèn)，另一種是將透鏡系統(tǒng)導(dǎo)出為Zemax OpticStudio中的STEP文件，并將其插入到

大綱菲涅爾透鏡之鏡片表面一面為光面，另一面刻錄了由小到大的同心圓；也就是在透鏡的一側(cè)有等距的齒紋。透過(guò)這些齒紋，可以達(dá)到對(duì)指定光譜范圍的光帶通(反射或者折射)的作用。傳統(tǒng)的打磨光學(xué)器材的帶通光學(xué)濾鏡造價(jià)昂貴。菲涅爾透鏡可以有效降低成本。

將圓錐光學(xué)界面轉(zhuǎn)換成一個(gè)二元衍射界面 1) 菲涅爾區(qū)域設(shè)置? 在VirtualLab Fusion中是使用薄元近似（TEA）來(lái)模擬菲涅爾衍射透鏡的；? 在TEA中，菲涅爾高度hf必須對(duì)應(yīng)2?的相位差，即hf=?/(nsubstrate-nembedding)，其中?為入射光的波長(zhǎng)，nsubstrate是入射透鏡的折射率，nembedding是透鏡所處環(huán)境的折射率，

注意，對(duì)于這種結(jié)構(gòu)，透鏡的最大允許直徑可能嚴(yán)格取決于入射光束的相干程度和透鏡的焦距。本文將不討論波帶片的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)原則。 圖3 帶有菲涅爾波帶片的系統(tǒng)布局 然而，如果現(xiàn)在用 POP 對(duì)同樣的情況進(jìn)行建模，就會(huì)發(fā)現(xiàn)光束會(huì)在圖像表面處聚焦，如圖4所示。在這里，我們從束腰為2.6mm的高斯光束開始，將光束聚焦為束腰約為0.4mm的光斑。