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P;V$%r`yD 在这篇文章中,我们简要介绍了使用 OpticStudio 设计衍射光学元件(DOE)和超透镜(metalens)的过程。我们讨论了相位面和局部光栅的概念。附件中还提供了一些有用的DLLs,以支持特殊的 DOE 或 metalens 设计方法。(联系我们获取文章附件) g69^D
%yjz@ 本文讨论了衍射光学元件(DOE)和超透镜(metalens)的设计过程。主要目的是为刚接触这个课题的设计者提供一个起点,看看 OpticStudio 有哪些方法可使用。 g H+s)6 0%Y8M` ~s7 对包括 DOE/metalens 在内的系统进行模拟和设计总是很棘手,没有通用的方法来处理所有情况。设计师需要根据具体情况决定其设计策略。许多情况下设计过程中需要两种不同的光学理论/算法来分别处理光束在自由空间和微观结构中的传播[1-3],而也有一些设计单纯只使用光线追迹来实现。[4] i;u#<y{E 8QYP\7}o 在这篇文章中,我们首先简要介绍了一些可能的设计思路。有关自由空间和 DOE/metalens 中的相位面和传播方法概念的更多细节将在后面讨论。在最后一节,介绍了为特殊相位面设计定制的一些有用的 DLLs。 T\(w} S~~G0GiW 1. 设计思路 ^/0c`JG!x 4@iMGYR9!s 在这一节中,我们简要地讨论了一些经典的设计思路。 4O TuX! <6
HrHw_ 1.1 相位 -> 微结构 -> 实验验证 D#=$? {w 在这一过程中,用户首先将 DOE/metalens 等效为其对应的相位面来在 OpticStudio 中用光线追迹的方法进行设计。然后根据得到的相位分布来设计微结构。图1显示了该过程的流程图。该图不包括设计的细节,例如,微结构可以是传统闪耀光栅或现代超透镜。根据微结构的类型,所需的设计和制造方法可能非常不同。 BwLggo 1Mf tq4nq 参考文献[5]显示了一个从给定的相位分布生成闪耀光栅的例子。它还讨论了采用单点金刚石车削机的制造方式。图1所示的例子可以在附件 ” phase profile example.zar “中找到。另外,参考文献[3]显示了如何使用 Lumerical FDTD 软件为给定的相位分布设计 metalens。 D%=VhKq g[D(]t\#x 这种方法的缺点是,设计者可能无法检查整个系统的性能。例如,没有办法检查考虑所有衍射阶数的真实点扩散函数(PSF)。同样,尽管可以追踪来自 “非工作 “阶数的光线,但没有计算出衍射效率,因此无法知道杂散光的能量占比。 Ihd{@6m pk%%}tP<
图1 在 OpticStudio 中设计 DOE/metalens 的一种工作流程 u<VR;p:y 4"om;+\ 1.2 相位分布 -> 微结构 -> 用 POP+FDTD 验证 DRDn;j 为了解决前一个过程的缺点,即在制造前不能模拟整体系统的性能,物理光学传播(POP)和 FDTD 可以用来精确计算 PSF。这种方法主要用于平面 metalens 设计。Zemax OpticStudio 不包括 FDTD 引擎,但是,参考文献[3]显示了一个将 Lumerical FDTD 和 Zemax OpticStudio 整合到这个过程的例子。图2强调了这个过程的概念。 +N|}6e p;y\%i_ 当系统只包含一个 metalens 时,设计者可以首先在 Lumerical FDTD 中建模一个平面波入射到 metalens,经过 metalens 的电场分布被导出为 ZBF 文件,并进一步导入 OpticStudio POP 中以评估最终的 PSF。 :i?7RouO ~`xaBz0q 然而,当 metalens 被放置在透镜之间,并且入射到 metalens 的光束不是平面波时,设计者可以在 POP 中先以平面波开始模拟,光束在 POP 中传播到 metalens 的前表面,并以 ZBF 文件导出。然后,ZBF 被导入 FDTD 作为一个光源,并被传播通过 metalens。该过程的其余部分与之前讨论的相同。 ,2|(UTv MO_-7,.y 这个过程的一个缺点是,由于需要强大的运算能力和资源,FDTD 不能处理大尺寸的镜头。另外,这种方法只能模拟每个单独视场的 PSF,像图像模拟或相对照度此类分析是不行的。 c#ahFpsnlw 'n>v}__&|
图2 图1所示工作流程的加强版。在制造之前,设计者可以使用 POP 和 FDTD 来检查最终的 PSF ,ln=kj c'wxCqnE
1.3 参数化 DOE 的 Sag -> 用 FFT /惠更斯 Huygens PSF 进行光线追迹 8|z@"b l) 若不使用相位面来表征 DOE,也可以直接在序列模式下对详细的闪耀光栅 Sag 进行建模,用传统的光线追迹和 FFT 和 Huygens PSF 等分析方法来设计 DOE。这种方法只有在 DOE 光栅常数的数量级远大于波长时才有效(因为接近波长时矢量衍射效应很强)。由于这个原因,这种方法不适合用于考虑 metalens。参考文献[4]中讨论了一个很好的例子,DOE 的 Sag 分布是由一个方程描述的,生成了类似于菲涅尔透镜的闪耀结构。 g< |