VirtualLab运用：优化衍射扩散反射镜以生成任意的光图案

Scenario 573（1.0）

 

相关案例：DO.003，545

相关教程：VirtualLab Fusion-基本工具箱，衍射光学工具箱

 

1.摘要

这个示例演示了优化衍射扩散器以在远场生成任意光图样。通过迭代傅里叶变换算法（IFTA）来优化反射镜表面轮廓。

优化过程分为三个步骤。

-应用IFTA优化一个透射衍射扩散器的透过率函数。

-基于透过率函数来计算反射镜的反射函数。

-计算反射镜的高度轮廓。

在学习和使用此案例之前，我们建议你首先阅读应用案例545。

 

2.模拟任务

衍射扩散器反射镜

相位级次：2

直径：5.75×5mm

照明光束参数

 

波长：532nm

激光光束直径（1/e2）：1.1mm

 

期望输出场参数

 

位图文件：Sc573_Diffuser_Mirror_Pattern_Generation_01.jpg

图案直径：400×187mm

光轴偏移：0×100mm

效率：>25%

分辨率约： 700×700um

 

3.设计步骤1-设计透过率函数

 

优化投射扩散器的透过率函数。

假设扩散器和目标屏之间是远场系统。

 

开始扩散器设计

 

选择Diffractive optics-Pattern Generating Diffuser

 

进入扩散器设计会话编辑界面

 

指定高斯光束束腰以及发散角的定义类型

 

确定高斯光束的波长及束腰直径

 

指定近轴远场作为光学系统

 

确定近轴远场距离

 

 

通过Import导入准备好的.jpg图片，并指定图案尺寸400mmx187mm

 

使用IFTA优化二元扩散器透过率函数。

IFTA优化文档可以通过图样生成扩散器会话编辑器生成。

期望光图样可以由jpg文件导入。

由于一个二元透过率函数总是会生成一个孪生像，因此必须对二元透过率进行优化，即在y方向上进行离轴，以使孪生像分开。

请参考Sc573_Diffuser_Mirror_Pattern_Generation_02.seditor。

 

指定相位阶次：一个二阶相位级次

 

 

IFTA优化文档Sc573_Diffuser_Mirror_Pattern_Generation_03.dp

像素大小：830nm×800nm

单周期像素数：2271×2355

周期：1.9mm×1.9mm

  

 

光学系统：Sc573_Diffuser_Mirror_Pattern_Generation_04.lpd

 

4.设计步骤2-反射镜反射函数

衍射扩散器反射镜的反射函数可以由扩散器透过率函数计算得到。

反射函数与透射函数一样，但为了得到类似的衍射角必须在旋转方向上拉伸：

→像素大小的变化： 

 反射函数像素大小

 透射函数像素大小

 

 

5.设计步骤3-反射镜高度轮廓

这个案例演示了如何设计一个微结构反射镜的光学函数。

加工微结构反射镜需要的是其表面高度轮廓，而不是一个光学函数。下面将解释如何计算一个给定的光学函数的微结构反射镜的表面高度轮廓。

VirtualLab基于薄元近似结构设计来计算的表面轮廓。

 

计算反射镜的表面轮廓

 

 

•使用光学函数或加载文件Sc573_Diffuser_Mirror_Pattern_Generation_05以激活“Design”工具

•开始VirtualLab结构设计（Design→Structure Design）

 

 

•选择反射镜的高度轮廓（Height Profile of Mirror），并且输入设计波长。

•VirtualLab假设入射光正入射，以此计算反射镜的高度轮廓。

•表面高度必须在第二步纠正，由于光程长度将稍微不同于30°的入射角。

•       将计算光学函数每个采样点的表面高度轮廓。

•       应该选择最近邻插值来允许VirtualLab重建包含矩形像素的表面轮廓。

•       必须使用实施量化（Enforce Quantization）的选项来指定高度量级。

 

计算镜表面剖面

 

 

•VirtualLab计算镜的高度剖面，假设垂直入射光。

•由于实际上反射镜必须与30°的入射光相互作用，因此必须使用一个更大的高度轮廓。

•与垂直入射相比，高度轮廓必须按1/cos（α）比例进行缩放。

•α是入射角。

•双击生成包含反射镜的双界面元件。

•反射镜表面由采样界面模拟。

•点击Edit按钮。

•选择Scaling 窗口并且输入在z方向的缩放

•调整反射镜的孔直径和形状来满足您的需求。

•关于如何以各种格式，例如GDSII，CIF，bitmap，ASCII等导出采样表面，请参见教程144.01。

 

6.结论

•VirtualLab Fusion可以设计反射衍射扩散器来生成几乎任意2D光图样。

•设计分三个步骤完成：

-设计和优化扩散器透过率函数

基于透过率函数计算反射镜的反射函数

-计算反射镜的高度轮廓

•微结构镜的表面剖面可以以各种数据格式导出。

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