ZEMAX软件技术应用专题：如何在OpticStudio中設計DOE透鏡或超穎透鏡

繞射光學元件（DOE）和超表面/超穎透鏡在光學系統設計中越來越受歡迎，其應用範圍從手機鏡頭到AR / VR耳機，從3D傳感到照明。但是，對於包含 DOE 或超穎透鏡的系統進行模擬和設計總是很棘手的。沒有通用的方法可以處理所有情況。設計人員需要根據具體情況決定其系統的策略。許多設計過程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結構中的傳播，而其他一些過程僅使用純光線追跡來達到目標。

由於模擬技術發展迅速，因此本文可能沒有涵蓋所有可用方法。如果用戶提供新訊息或有任何要求，請隨時與我們聯繫，我們可以相應地更新本文。

在此文章中，我們首先簡要介紹一些可能的設計路線，並在MyZemax.com上提供完整的文章，其中提供有關自由空間和DOE /超穎透鏡中的相位分佈和傳播方法的概念的詳細訊息，以及為這些應用程式定制的一些有用DLL。介紹了特殊的相位輪廓設計。

設計流程

1.1 相位 -> 微觀結構 -> 實驗驗證

在此過程中，用戶首先使用光線追跡方法設計DOE /超穎透鏡所需的相位。然後根據給定的相位設計微結構。圖1顯示了該過程的流程圖。該圖表未涵蓋設計的詳細訊息，例如，微觀結構可以是傳統的閃耀光柵或現代的超穎透鏡。所需的設計和製造方法可能會有所不同，具體取決於微結構的類型。

參考文獻[5]顯示了根據給定的相位輪廓生成閃耀光柵的範例。它還討論了單點金剛石車床的製造。可以在我們的知識庫文章中找到用於生成閃耀光柵的巨集:如何使用巨集計算繞射光學元件的垂度。或者，參考文獻[3]顯示了如何使用Lumerical FDTD軟體為給定的相位曲線設計超穎透鏡。
這種方法的缺點是設計人員可能無法檢查整個系統的性能。例如，沒有辦法考慮所有繞射階數來檢查點擴展函數（PSF）。類似地，儘管可以追蹤“非有效”的順序光線，但沒有計算出繞射效率，因此沒有辦法知道雜散光路中的功率比。

Figure 1 在OpticStudio中設計 DOE /超穎透鏡的可能工作流程

1.2  相位 ->  微觀結構 ->用POP + FDTD驗證

為了解決先前流程的缺點，即在製造之前無法模擬系統性能，可以使用物理光學傳播（POP）和 FDTD 來精確計算PSF。此方法主要由平面超穎透鏡設計人員使用。 Zemax OpticStudio不包括FDTD引擎，但是，參考文獻[3]顯示了在此過程中集成 Lumerical FDTD 和 Zemax OpticStudio的範例。圖2突出顯示了此過程的概念。

當系統僅包含單個超穎透鏡時，設計人員可以直接從Lumerical FDTD中的超穎透鏡上入射平面波前開始。將超穎透鏡之後的電場輸出導出為ZBF檔，然後將其進一步導入OpticStudio POP中以評估最終的PSF。

但是，當超穎透鏡置於透鏡之間並且入射光束不是平面波前時，設計人員可以使用POP中的平面波開始模擬。光束在POP中傳播到超穎透鏡的前端，並作為ZBF檔導出。然後將ZBF作為光源導入FDTD，並透過超穎透鏡進行傳播。其餘過程與前面討論的相同。
該過程的一個缺點是，由於需要大量的計算資源，因此FDTD引擎無法處理大尺寸的鏡頭。而且，此方法只能在每個單獨的字段上模擬PSF。像圖像模擬或相對照明這樣的分析是不可能的。

Figure 2 工作流程的增強版本，如圖1所示。在製造之前，設計人員可以使用POP和FDTD來檢查最終的PSF。

1.3 參數化 DOE 矢高 -> 利用 FFT/Huygens PSF 光線追跡

除了使用相位輪廓來表示DOE之外，還可以直接在序列模式下對詳細的矢高進行建模，並使用傳統的光線追跡引擎設計DOE並進行FFT和Huygens PSF之類的分析。此方法僅在DOE的特徵尺寸不太接近波長尺度（矢量繞射效果很強）時才有效。因此，該方法不適用於超穎透鏡。參考文獻[4]中討論了一個很好的例子，其中DOE矢高由產生像菲涅耳 (Fresnel)透鏡的閃耀結構的方程式描述。

除了功能大小的限制之外，此方法的另一個缺點是設計人員可能仍需要定制一些工具來增強OpticStudio提供的功能。例如，如參考文獻[4]中所述，目前尚無原生序列表面支撐起泡的下垂。用戶需要創建自己的序列表面DLL來建模唯一的表面下垂。此外，當前OpticStudio不支援在例如Y-Z平面上顯示橫截面PSF。如參考文獻[4]中所述，需要一個巨集來掃描不同Z位置的PSF並創建圖。

1.4 參數化 DOE 矢高-> POP

像上述方法一樣，可以透過在OpticStudio中對二進制矢高建模來模擬菲涅耳波帶片。但是，對於這種類型的DOE，光線追跡引擎將無法正常工作。垂直入射到DOE上的光線不會改變其方向，因為表面沒有傾斜。但是，垂直入射的光束可以用適當設計的菲涅耳波帶片聚焦。此效果應由OpticStudio中的POP處理。

如圖3所示，在該系統中，准直光束入射在玻璃板上。在玻璃板的背面，已使用菲涅耳波帶片表面類型創建了同心二元結構。在布局圖視窗中，您可以看到光線沒有改變其傳播方向，並且光束保持准直，從物件到成像表面傳播。

注意，採用這種結構，透鏡的最大允許直徑可能嚴格取決於入射光束的相干程度和透鏡焦距。本文將不討論設計帶區透鏡的原理。

Figure 3 菲涅耳波帶片系統佈局圖

但是，如果現在使用POP分析建模相同的情況，則將觀察到光束開始聚焦在成像表面上，如圖4所示。在這裡，我們從束腰尺寸為2.6 mm的高斯光束開始並將光束聚焦下降到束腰約0.4毫米的斑點。此範例說明只能使用POP模擬這種類型的結構。

Figure 4 菲涅耳波帶片在成像平面上的 POP結果。

請注意，POP基於標量繞射理論，因此不適用於特徵尺寸通常為次波長的超穎透鏡。

有興趣嘗試在OpticStudio中設計DOE或超穎透鏡嗎？請查看OpticStudio產品頁面以了解更多訊息並獲得免費試用版。

參考文獻:

[1] Chen, W.T., Zhu, A.Y. & Capasso, F. Flat optics with dispersion-engineered metasurfaces. Nat Rev Mater 5, 604–620 (2020). https://doi.org/10.1038/s41578-020-0203-3
[2] Faraji-Dana, M., Arbabi, E., Arbabi, A. et al. Compact folded metasurface spectrometer. Nat Commun 9, 4196 (2018). https://doi.org/10.1038/s41467-018-06495-5
[3] https://support.lumerical.com/hc/en-us/articles/360042097313-Metalens-Zemax-Interoperability
[4] Anna Nemes-Czopf, Dániel Bercsényi, and Gábor Erdei, "Simulation of relief-type diffractive lenses in ZEMAX using parametric modelling and scalar diffraction," Appl. Opt. 58, 8931-8942 (2019)
[5] RIEDL, Max J., “Diamond-turned diffractive optical elements for the infrared: suggestions for specification standardization and manufacturing remarks”, SPIE Vol 2540 / 257

 

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