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如何使用Binary2模擬衍射光學(xué)元件
更新時(shí)間:2018-12-18瀏覽:3746次

Binary2消色差單透鏡

Binary2面型經(jīng)常用來(lái)矯正色差。在一個(gè)簡(jiǎn)單的單透鏡中,長(zhǎng)波長(zhǎng)光的焦距相比短波長(zhǎng)的光更長(zhǎng),如下圖(a)。此時(shí)我們可以使用一個(gè)旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)的衍射光學(xué)元件,例如Binary2面型,如下圖(b),來(lái)減小軸向色差,如下圖(c):

Figure 13.11 from Optical System Design

 

接下來(lái)讓我們?cè)敿?xì)了解一下該單透鏡的設(shè)計(jì)過(guò)程。如果您并不熟悉如何在OpticStudio中建立單透鏡,請(qǐng)參考知識(shí)庫(kù)文章“Designing a Singlet in Zemax”。

我們將設(shè)計(jì)一個(gè)衍射級(jí)次m=1的Binary2面型來(lái)矯正軸向色差。完整的系統(tǒng)設(shè)計(jì)請(qǐng)見(jiàn)示例文件。

首先設(shè)置系統(tǒng)長(zhǎng)度單位為mm(設(shè)置Setup > 系統(tǒng)選項(xiàng)System Explorer > 單位Units)

設(shè)置系統(tǒng)孔徑類(lèi)型為入瞳直徑,并設(shè)置直徑為30mm

設(shè)置系統(tǒng)波長(zhǎng)為F,d,C光

設(shè)置視場(chǎng)為軸上視場(chǎng)(X=0, Y=0)

在透鏡編輯器中設(shè)置如下參數(shù)(將Binary2的厚度設(shè)為變量):

在布局圖中我們會(huì)看到:

我們可以查看軸向像差 (Longitudinal aberration) 圖表來(lái)直觀的觀察軸向色差,該工具位于分析 (Analysis) 選項(xiàng)卡 > 像差 (Aberration) 工具欄中,當(dāng)前初始結(jié)構(gòu)的軸向色差如下圖所示:

在評(píng)價(jià)函數(shù)編輯器中以均方根光斑半徑 (RMS Spot Size) 為標(biāo)準(zhǔn),設(shè)置默認(rèn)評(píng)價(jià)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化:

將焦點(diǎn)優(yōu)化至小,此時(shí)Binary2面的厚度約為51.608mm左右,此時(shí)的軸向色差如下圖所示:

可以看到系統(tǒng)的色差并沒(méi)有變化,讓我們?cè)贐inary2面上加入一些衍射光焦度對(duì)軸向色差進(jìn)行控制。在透鏡數(shù)據(jù)編輯器里Binary2面型的附加數(shù)據(jù)中設(shè)置衍射相位系數(shù)的大項(xiàng)數(shù) (Maximum Term) 為2,并設(shè)置ρ^2項(xiàng)和ρ^4項(xiàng)系數(shù)為變量,如下圖所示:

 

重新優(yōu)化系統(tǒng),我們可以看到系統(tǒng)的軸向色差相比之前變小了很多,其軸向像差圖和布局圖如下所示:

現(xiàn)在我們得到了消色差的Binary2面的附加相位系數(shù)和相位分布,為了實(shí)現(xiàn)二元面的加工,我們還需要計(jì)算每個(gè)2π*m衍射區(qū)域的徑向坐標(biāo)。每個(gè)相鄰衍射區(qū)域的相位差都是準(zhǔn)確的+2π或-2π,如下圖所示:

此時(shí)我們可以運(yùn)行OpticStudio內(nèi)置的宏程序“Phases.ZPL”來(lái)計(jì)算該相位分布,該宏程序可在編程 (Programming)選項(xiàng)卡 > 編輯/執(zhí)行 (Edit/Run)中調(diào)用,其計(jì)算結(jié)果如下所示:

 

終,宏程序計(jì)算出一共需要246個(gè)環(huán)形衍射區(qū),后一個(gè)環(huán)形區(qū)距離表面頂點(diǎn)的徑向距離約為14.94mm。

小結(jié)

這篇文章通過(guò)一個(gè)消色差單透鏡的示例演示了如何使用Binary2面型,同時(shí)OpticStudio還可以計(jì)算出Binary2表面上每個(gè)2mπ環(huán)形衍射區(qū)域的坐標(biāo)。

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