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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） @'~v~3
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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。主要目的是為剛接觸這個(gè)課題的設(shè)計(jì)者提供一個(gè)起點(diǎn)，看看 OpticStudio 有哪些方法可使用。 T;.#=h
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對(duì)包括 DOE/metalens 在內(nèi)的系統(tǒng)進(jìn)行模擬和設(shè)計(jì)總是很棘手，沒(méi)有通用的方法來(lái)處理所有情況。設(shè)計(jì)師需要根據(jù)具體情況決定其設(shè)計(jì)策略。許多情況下設(shè)計(jì)過(guò)程中需要兩種不同的光學(xué)理論/算法來(lái)分別處理光束在自由空間和微觀結(jié)構(gòu)中的傳播[1-3]，而也有一些設(shè)計(jì)單純只使用光線追跡來(lái)實(shí)現(xiàn)。[4] wVw3YIN#
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在這篇文章中，我們首先簡(jiǎn)要介紹了一些可能的設(shè)計(jì)思路。有關(guān)自由空間和 DOE/metalens 中的相位面和傳播方法概念的更多細(xì)節(jié)將在后面討論。在最后一節(jié)，介紹了為特殊相位面設(shè)計(jì)定制的一些有用的 DLLs。 cojuU=i
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1. 設(shè)計(jì)思路 Z?1.Y7Npr
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在這一節(jié)中，我們簡(jiǎn)要地討論了一些經(jīng)典的設(shè)計(jì)思路。 T2^ @x9
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1.1 相位 -> 微結(jié)構(gòu) -> 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 R%54 !f0
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在這一過(guò)程中，用戶首先將 DOE/metalens 等效為其對(duì)應(yīng)的相位面來(lái)在 OpticStudio 中用光線追跡的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。然后根據(jù)得到的相位分布來(lái)設(shè)計(jì)微結(jié)構(gòu)。圖1顯示了該過(guò)程的流程圖。該圖不包括設(shè)計(jì)的細(xì)節(jié)，例如，微結(jié)構(gòu)可以是傳統(tǒng)閃耀光柵或現(xiàn)代超透鏡。根據(jù)微結(jié)構(gòu)的類(lèi)型，所需的設(shè)計(jì)和制造方法可能非常不同。 / 1E6U6
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參考文獻(xiàn)[5]顯示了一個(gè)從給定的相位分布生成閃耀光柵的例子。它還討論了采用單點(diǎn)金剛石車(chē)削機(jī)的制造方式。圖1所示的例子可以在附件 ” phase profile example.zar “中找到。另外，參考文獻(xiàn)[3]顯示了如何使用 Lumerical FDTD 軟件為給定的相位分布設(shè)計(jì) metalens。 e|xRK?aVBu
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這種方法的缺點(diǎn)是，設(shè)計(jì)者可能無(wú)法檢查整個(gè)系統(tǒng)的性能。例如，沒(méi)有辦法檢查考慮所有衍射階數(shù)的真實(shí)點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)（PSF）。同樣，盡管可以追蹤來(lái)自 “非工作 “階數(shù)的光線，但沒(méi)有計(jì)算出衍射效率，因此無(wú)法知道雜散光的能量占比。 }&EPH}V2n
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 圖1 在 OpticStudio 中設(shè)計(jì) DOE/metalens 的一種工作流程 F8/4PB8-
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1.2 相位分布 -> 微結(jié)構(gòu) -> 用 POP+FDTD 驗(yàn)證 ,zz+s[ZH7O
為了解決前一個(gè)過(guò)程的缺點(diǎn)，即在制造前不能模擬整體系統(tǒng)的性能，物理光學(xué)傳播（POP）和 FDTD 可以用來(lái)精確計(jì)算 PSF。這種方法主要用于平面 metalens 設(shè)計(jì)。Zemax OpticStudio 不包括 FDTD 引擎，但是，參考文獻(xiàn)[3]顯示了一個(gè)將 Lumerical FDTD 和 Zemax OpticStudio 整合到這個(gè)過(guò)程的例子。圖2強(qiáng)調(diào)了這個(gè)過(guò)程的概念。 (w)Qt/P^4
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當(dāng)系統(tǒng)只包含一個(gè) metalens 時(shí)，設(shè)計(jì)者可以首先在 Lumerical FDTD 中建模一個(gè)平面波入射到 metalens，經(jīng)過(guò) metalens 的電場(chǎng)分布被導(dǎo)出為 ZBF 文件，并進(jìn)一步導(dǎo)入 OpticStudio POP 中以評(píng)估最終的 PSF。 )1&[uE#L
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然而，當(dāng) metalens 被放置在透鏡之間，并且入射到 metalens 的光束不是平面波時(shí)，設(shè)計(jì)者可以在 POP 中先以平面波開(kāi)始模擬，光束在 POP 中傳播到 metalens 的前表面，并以 ZBF 文件導(dǎo)出。然后，ZBF 被導(dǎo)入 FDTD 作為一個(gè)光源，并被傳播通過(guò) metalens。該過(guò)程的其余部分與之前討論的相同。 |)yO] pB:
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這個(gè)過(guò)程的一個(gè)缺點(diǎn)是，由于需要強(qiáng)大的運(yùn)算能力和資源，F(xiàn)DTD 不能處理大尺寸的鏡頭。另外，這種方法只能模擬每個(gè)單獨(dú)視場(chǎng)的 PSF，像圖像模擬或相對(duì)照度此類(lèi)分析是不行的。
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 圖2 圖1所示工作流程的加強(qiáng)版。在制造之前，設(shè)計(jì)者可以使用 POP 和 FDTD 來(lái)檢查最終的 PSF
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