首页/文章/ 详情

Ansys Zemax | 如何使用 Binary2 面型设计衍射光学元件

16天前浏览127

附件下载

联系工作人员获取附件

概述

这篇文章介绍了如何在 OpticStudio 中建立衍射光学表面以及如何使用 Binary2(二元面2)模拟衍射光学元件。本文使用的示例文件请联系工作人员下载。

Binary2 面型

Zemax LLC 感谢 Optics1 公司的 Robert E.Fischer 先生授权使用其著作《Optical System Design》中的图表。

在 OpticStudio 中,许多表面除了可以定义折射光焦度以外,还可以定义衍射光焦度。衍射光焦度与材料折射率和表面矢高无关,但可以改变光的相位。有关建立衍射光学表面的详细信息,见文章“OpticStudio 建模衍射光学表面”。

Binary2 中的衍射光焦度会在光学表面的截面上引入连续的相位变化:

其中系数 Ai 的单位为弧度。

由于相位变化在表面的截面上是连续的,因此 Binary2 面型模拟的是一个理想的二元衍射元件,其二元面的台阶尺寸趋近于无穷小或小于光的波长。

通常来讲,Binary2 面型模拟衍射光学元件的环形衍射区 ( Diffraction Zones) 的尺寸与该区域到表面顶点的径向距离有关,如下图所示。OpticStudio 可以自动计算每个环形衍射区的径向坐标使相邻区域的相位差为 2π。

Binary2 面型在固定径向坐标处所引入的附加相位与波长无关。与波长相关的光程由下式给出:

下图布局图所示为 Binary2 的色差:

Binary2 消色差单透镜

Binary2 面型经常用来矫正色差。在一个简单的单透镜中,长波长光的焦距相比短波长的光更长,如下图(a)。此时我们可以使用一个旋转对称的衍射光学元件,例如 Binary2 面型,如下图(b),来减小轴向色差,如下图(c):

接下来让我们详细了解一下该单透镜的设计过程。如果您并不熟悉如何在OpticStudio 中建立单透镜,请参考文章“如何设计单透镜 第一部分:设置”。

我们将设计一个衍射级次 m=1的 Binary2 面型来矫正轴向色差。完整的系统设计请见示例文件。

首先设置系统长度单位为mm(设置Setup > 系统选项 System Explorer > 单位 Units)

  • 设置系统孔径类型为入瞳直径,并设置直径为30mm

  • 设置系统波长为 F,d,C 光

  • 设置视场为轴上视场(X=0, Y=0)

  • 在透镜编辑器中设置如下参数(将 Binary2 的厚度设为变量):

在布局图中我们会看到:

我们可以查看轴向像差 ( Longitudinal aberration ) 图表来直观的观察轴向色差,该工具位于分析 ( Analysis ) 选项卡 > 像差 ( Aberration ) 工具栏中,当前初始结构的轴向色差如下图所示:

在评价函数编辑器中以均方根光斑半径 ( RMS Spot Size ) 为标准,设置默认评价函数进行优化:

将焦点优化至最小,此时 Binary2 面的厚度约为51.608mm 左右,此时的轴向色差如下图所示:

可以看到系统的色差并没有变化,让我们在 Binary2 面上加入一些衍射光焦度对轴向色差进行控制。在透镜数据编辑器里 Binary2 面型的附加数据中设置衍射相位系数的最大项数  (Maximum Term) 为2,并设置 ρ^2 项和 ρ^4项系数为变量,如下图所示:

重新优化系统,我们可以看到系统的轴向色差相比之前变小了很多,其轴向像差图和布局图如下所示:

现在我们得到了消色差的 Binary2 面的附加相位系数和相位分布,为了实现二元面的加工,我们还需要计算每个 2π*m 衍射区域的径向坐标。每个相邻衍射区域的相位差都是准确的+2π或-2π,如下图所示:

此时我们可以运行 OpticStudio 内置的宏程序“  Phases.ZPL ”来计算该相位分布,该宏程序可在编程 (Programming) 选项卡 > 编辑/执行  (Edit/Run) 中调用,其计算结果如下所示:

最终,宏程序计算出一共需要246个环形衍射区,最后一个环形区距离表面顶点的径向距离约为14.94mm。

小结

这篇文章通过一个消色差单透镜的示例演示了如何使用 Binary2 面型,同时 OpticStudio 还可以计算出 Binary2 表面上每个 2mπ 环形衍射区域的坐标。



     


来源:武汉宇熠
ACTOpticalSystem光学UM理论CST材料控制
著作权归作者所有,欢迎分享,未经许可,不得转载
首次发布时间:2024-10-19
最近编辑:16天前
武汉宇熠
光机电领域优秀供应商
获赞 342粉丝 240文章 853课程 9
点赞
收藏
作者推荐

免费 5.0
未登录
还没有评论
课程
培训
服务
行家
VIP会员 学习 福利任务 兑换礼品
下载APP
联系我们
帮助与反馈