OpticStudio建模衍射光学表面

概述

本文简单介绍了OpticStudio中衍射表面的建模以及二元光学Kinoform和二元光学（Binary optics）的区别。

OticStudio中的衍射建模

Zemax.LLC感谢Mr.Robert E. Fisher先生授权使用其著作《Optical System Design》一书中的分析图表。

OpticStudio中有许多表面支持在折射光焦度的基础上添加额外的衍射附加相位。衍射附加相位与表面的矢高以及基底材料的折射率无关，并只对相位产生影响。在OpticStudio中具有衍射效应的所有面型都是基于以下公式进行计算的：

其中m为衍射级次，λ为波长，T为衍射栅格周期（栅格距离d的倒数）。上述公式为斯涅耳公式和衍射附加相位引起的光线偏折量的叠加。一个平面光波斜入射到一个没有折射光焦度的平面衍射元件时的情况如下图右所示：

一般情况下，衍射光栅在一个方向上具有固定的光栅周期，常用于光谱仪中。而计算机生成的衍射表面所产生的相位变化可以是任意的，这可以理解为表面上任意空间位置的栅格周期各不相同，因此衍射附加相位可以根据用户需要自行定义。例如我们可以使用多种面型定义不同衍射元件：

使用可变刻线距离光栅（Variable Line-Spacing Grating）表面模拟啁啾光栅。

使用二元面1（Binary 1）在直角坐标系下用多项式定义光栅。

使用二元面2（Binary 2）在极坐标系下用多项式定义光栅。

使用一系列多项式面型定义几乎任意形式的多项式来描述光栅间距的变化

使用网格相位面（Grid Phase Surface）在表面上任意（x,y）坐标位置处定义任意相位。

如果OpticStudio中没有理想的面型，用户可以编写用户自定义面型来描述附加相位。

在以上这些面型中，光线根据定义的衍射附加相位，而产生额外的偏折。在设计过程中，OpticStudio首先计算所需要添加的附加相位分布，然后生成该附加相位分布所需要的光栅结构。在镜头设计编辑器中，每个衍射表面的衍射级次必须明确定义。不同衍射级次可以通过多重结构来建模。使用多重结构操作数PRAM即可完成不同衍射级次表面的定义。布局图结构如下图所示：