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[技術(shù)]平面透鏡|從光滑表面到菲涅爾、衍射和超透鏡的演變 [復(fù)制鏈接]

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摘要

在光學(xué)設(shè)計(jì)中，通常使用兩種介質(zhì)之間的光滑界面來塑造波前。球面和非球面界面用于在成像系統(tǒng)中創(chuàng)建透鏡和反射鏡。在非成像光學(xué)中，自由曲面被用來故意引入特定的像差以塑造光的能量分布。在每種情況下，表面都將入射波前的相位轉(zhuǎn)換為符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的特定輸出相位。

平面表面可以實(shí)現(xiàn)通常通過光滑表面進(jìn)行的相同相位變換。本文探討了設(shè)計(jì)平面透鏡的基本原理，包括菲涅爾透鏡、衍射透鏡和超透鏡。

所有示例均使用VirtualLab Fusion (VLF) 軟件進(jìn)行。新引入的技術(shù)和功能計(jì)劃于2025年發(fā)布到VLF。如需了解更多發(fā)布詳情或有關(guān)超透鏡設(shè)計(jì)和建模的疑問，請聯(lián)系support@infotek.com.cn。

本文源自Frank Wyrowski在2024年5月22日Photonics Media網(wǎng)絡(luò)研討會(huì)上，F(xiàn)rank Wyrowski主持的 “平面透鏡：追尋從平滑表面到菲涅爾透鏡、衍射透鏡以及超透鏡的演變” (Flat Lenses: Tracing the Evolution from Smooth Surfaces to Fresnel, Diffractive, and Meta Lenses)講座的文字記錄和演示文稿。

1.平面透鏡的潛力與局限性

幻燈片 #2-5

在本文的開頭，我打算探討一個(gè)問題：將平面透鏡集成到光學(xué)設(shè)計(jì)中可以期待什么樣的結(jié)果？為了回答這個(gè)問題，有必要介紹一些與平面透鏡討論相關(guān)的透鏡設(shè)計(jì)基本原理。每個(gè)透鏡都旨在轉(zhuǎn)換一個(gè)或多個(gè)入射波前。在成像中，通常轉(zhuǎn)換球面和平面波前。透鏡的功能由其預(yù)期執(zhí)行的轉(zhuǎn)換定義。這些信息通過所謂的功能透鏡得以保存，并可用于建模和設(shè)計(jì)。功能透鏡通過一組輸入相位及其相應(yīng)的輸出相位（也稱為信號(hào)相位）提供所有轉(zhuǎn)換的詳細(xì)信息。僅涉及一對波前相位的轉(zhuǎn)換稱為單場轉(zhuǎn)換。另一方面，當(dāng)涉及多對波前相位時(shí)，該過程稱為多場轉(zhuǎn)換。

圖1.幻燈片#5

幻燈片 #6-7

在一個(gè)基本的成像場景中，功能透鏡指定了將發(fā)散的球面輸入波前相位轉(zhuǎn)換為會(huì)聚的球面輸出波前相位。本文將集中討論與單色光相關(guān)的轉(zhuǎn)換。我推薦參考Kleemann等人的工作，該工作基于應(yīng)用于單色光的技術(shù)，提供了設(shè)計(jì)用于多色光的平面光學(xué)的見解[2]。

從功能透鏡的規(guī)格開始，設(shè)計(jì)透鏡表面的目標(biāo)是用一個(gè)物理透鏡替代功能透鏡，以實(shí)現(xiàn)指定的單場或多場轉(zhuǎn)換。在近軸近似內(nèi)，表面的設(shè)計(jì)通過單個(gè)球面解決。


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