關於光學軟件設計衍射透鏡的一點總結

爲驗證衍射透鏡的波長和折射率對焦距的影響,查看了zemax等光學軟件。

上圖所示,傳統透鏡以2Π相位延遲摺疊形成Fresnel。

衍射元件的設計:標量衍射理論(特徵尺寸遠大於波長);矢量衍射理論(特徵尺寸和波長相當甚至亞波長)

Zemax軟件設計衍射透鏡,提供Binary 2, Fresnel(序列),Fresnel 1(非序列)等多個面型。

Zemax模擬衍射透鏡的原理:

二元光學元件是一個衍射元件,要分析它的特性,應該用實際的衍射理論,一般應該應用是矢量衍射理論,
而光學設計軟件的基本功能是光線追跡,其理論依據是幾何光學,軟件之所以能夠支持需要用矢量衍射理論來
分析的二元光學,原因就在於光學設計軟件對於二元光學面的模擬,僅僅模擬了二元光學的位相延遲對入射光
線的方向餘弦的改變,也就是對光線方向的改變,而這一點,正是二元光學對於光學成像方面作用。這種模擬
方法,把二元光學的作用與一個普通的光學元件等效了,其實反映了一個衆所周知的觀點:物理光學與幾何光
學是不矛盾的,幾何光學是物理光學在波長趨於0 的近似。
以ZEMAX 爲例,ZEMAX 軟件由於它的易用性,這幾年發展得非常快,功能也很完善,已經成爲最普遍
使用的光學設計軟件了。本文以ZEMAX 設計實例有一定的代表性。ZEMAX 模擬二元光學並不真正模擬二元
光學面的矢高隨着每個區的變化,而是模擬二元光學面對於入射波不同部位的位相延遲。

Binary 2:通過模擬相位延遲,實現衍射透鏡的聚焦、色散等等,其光焦度與材料折射率和矢高無關。(材料折射率的變化應該還是可以影響其焦距)

序列Fresnel:實際上屬於諧衍射透鏡(以4Π,8Π甚至更大進行相位摺疊),並不是嚴格意義上的Fresnel,導致改變波長,其焦距變化不大。

Zemax序列模式的Fresnel不顯示鋸齒(很淺),非序列模式可顯示鋸齒,LightTools也可進行Fresnel的模擬,但是這些模型模擬衍射透鏡波長和折射率對焦距影響的效果一般。

上述軟件內置的衍射面的尺寸遠大於波長。

如果衍射透鏡的特徵尺寸相當於波長或亞波長量級,那麼需要使用矢量衍射理論。

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