衍射透镜的设计和分析

案例505（1.0）

 

工具箱：基本工具箱

 

 

1. 概述

 文件Scenario_505_Design_&_Analysis_of_Diffractive_Lnes_Original_Lnes.lpd 包含了一个经典的焦距为100mm的平凸折射透镜；

 折射透镜的圆锥界面（凸面）可以转换成二元界面以保证焦距不变；

 通过在圆锥光学界面的编辑窗口下的”Height Discontinuities”标签下进行设置以完成界面转换，如何设置将会再下文中提到。

 

2. 仿真过程

 此案例介绍了如何将一个折射透镜转换成具有同样焦距的二元衍射透镜；

 此外，还介绍了在VirtualLab如何使用双界面元件（DIC）以更好的来模拟像素化光学界面元件。

 光路图：

 

3. 将圆锥光学界面转换成一个二元衍射界面
 

1) 菲涅尔区域设置

 在VirtualLab Fusion中是使用薄元近似（TEA）来模拟菲涅尔衍射透镜的；

 在TEA中，菲涅尔高度hf必须对应2的相位差，即hf=/(nsubstrate-nembedding)，其中为入射光的波长，nsubstrate是入射透镜的折射率，nembedding是透镜所处环境的折射率，一般默认为1（Air）。

 

2) 高度级次离散设置

 离散高度级次数设置为2；

 分层模式设置为Min-Max-Riser，以保证两个高度级次之间的相位差为而不是2π。

 

3) 像素设置

 像素尺寸取决于加工制造。此处设置为9um。

 

4. 传输算法采样设置

 

 为了准确的模拟像素化的光学界面，通过二元界面的传输采样间距必须是其界面像素尺寸的1/3，即为3um；

 

5. 结果
 

1) 最终的光路图保“Scenario_505_Design_&_Analysis_of_Diffractive_Lens__Resulting_Diffractive_Lens.lpd”中。

 衍射透镜后的相位分布，相位差为π。

 

2) 点扩散函数（PSF）
 

对于平面波入射，焦平面上的光分布即是PSF。当增加光视图的亮度后，可以看到由于离散高度级次和像素导致的杂散光和高阶sinc级次。

 

 

3) 调制传递函数（MTF）

使用调制传递函数探测器可以进行MTF的计算。

 

 

6. 结论

 本例演示了如何将一个折射透镜转换成一个焦距相同的二元衍射透镜；

 计算了衍射透镜的PSF和MTF；

 由于离散高度级次产生的杂散光和高阶sinc级次。