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如何使用Binary2模拟衍射光学元件
发布时间:2018-12-18   点击次数:789次

Binary2消色差单透镜

Binary2面型经常用来矫正色差。在一个简单的单透镜中,长波长光的焦距相比短波长的光更长,如下图(a)。此时我们可以使用一个旋转对称的衍射光学元件,例如Binary2面型,如下图(b),来减小轴向色差,如下图(c):

Figure 13.11 from Optical System Design

 

接下来让我们详细了解一下该单透镜的设计过程。如果您并不熟悉如何在OpticStudio中建立单透镜,请参考知识库文章“Designing a Singlet in Zemax”。

我们将设计一个衍射级次m=1的Binary2面型来矫正轴向色差。完整的系统设计请见示例文件。

首先设置系统长度单位为mm(设置Setup > 系统选项System Explorer > 单位Units)

设置系统孔径类型为入瞳直径,并设置直径为30mm

设置系统波长为F,d,C光

设置视场为轴上视场(X=0, Y=0)

在透镜编辑器中设置如下参数(将Binary2的厚度设为变量):

在布局图中我们会看到:

我们可以查看轴向像差 (Longitudinal aberration) 图表来直观的观察轴向色差,该工具位于分析 (Analysis) 选项卡 > 像差 (Aberration) 工具栏中,当前初始结构的轴向色差如下图所示:

在评价函数编辑器中以均方根光斑半径 (RMS Spot Size) 为标准,设置默认评价函数进行优化:

将焦点优化至小,此时Binary2面的厚度约为51.608mm左右,此时的轴向色差如下图所示:

可以看到系统的色差并没有变化,让我们在Binary2面上加入一些衍射光焦度对轴向色差进行控制。在透镜数据编辑器里Binary2面型的附加数据中设置衍射相位系数的大项数 (Maximum Term) 为2,并设置ρ^2项和ρ^4项系数为变量,如下图所示:

 

重新优化系统,我们可以看到系统的轴向色差相比之前变小了很多,其轴向像差图和布局图如下所示:

现在我们得到了消色差的Binary2面的附加相位系数和相位分布,为了实现二元面的加工,我们还需要计算每个2π*m衍射区域的径向坐标。每个相邻衍射区域的相位差都是准确的+2π或-2π,如下图所示:

此时我们可以运行OpticStudio内置的宏程序“Phases.ZPL”来计算该相位分布,该宏程序可在编程 (Programming)选项卡 > 编辑/执行 (Edit/Run)中调用,其计算结果如下所示:

 

终,宏程序计算出一共需要246个环形衍射区,后一个环形区距离表面顶点的径向距离约为14.94mm。

小结

这篇文章通过一个消色差单透镜的示例演示了如何使用Binary2面型,同时OpticStudio还可以计算出Binary2表面上每个2mπ环形衍射区域的坐标。

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