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案例 | 通過 Ansys Lumerical FDTD 設(shè)計(jì)優(yōu)化超高數(shù)值孔徑超透鏡

發(fā)布日期:
2022-06-28

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光學(xué)透鏡是光學(xué)與光電子學(xué)中的基本光學(xué)器件之一。光學(xué)透鏡已廣泛應(yīng)用于芯片的制造、超分辨科學(xué)以及眾多高科技產(chǎn)品,其設(shè)計(jì)與制造水平一定程度上代表了光科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展水平。


光學(xué)透鏡是光學(xué)儀器的關(guān)鍵零件,從眼鏡、相機(jī)、顯微鏡到望遠(yuǎn)鏡等都有應(yīng)用。傳統(tǒng)光學(xué)透鏡是以玻璃或其他透明材料制成,例如生活中常使用的相機(jī)是由許多傳統(tǒng)透鏡組合而成。與傳統(tǒng)透鏡相比,超透鏡極大的優(yōu)點(diǎn)就是體積非常微型化,同時(shí)實(shí)現(xiàn)的功能遠(yuǎn)超傳統(tǒng)透鏡,超透鏡可以小到肉眼幾乎不能看見,一片超透鏡就可以取代相機(jī)中的透鏡組。


數(shù)值孔徑是光學(xué)透鏡極重要的基本參量,衡量著光學(xué)系統(tǒng)的成像能力,一直以來,各國科學(xué)家為增加透鏡的數(shù)值孔徑爭相努力。中山大學(xué)利用 Ansys Lumerical FDTD,在有限的時(shí)間內(nèi)評估不同超構(gòu)光學(xué)透鏡方案并得到理想選擇,大幅節(jié)約了評估時(shí)間和成本。



挑戰(zhàn)和需求


超透鏡的厚度通常是在微納米級,采用超透鏡的產(chǎn)品,例如手機(jī)、相機(jī)的鏡頭或是監(jiān)視器鏡頭尺寸都可以很小,產(chǎn)品整體體積自然可以輕量化。另外,超透鏡除了可見光之外,還適用于傳統(tǒng)透鏡無法使用的光譜,例如紅外光、紫外光等。


此外,因?yàn)槌哥R可以采用標(biāo)準(zhǔn)的半導(dǎo)體元件制程技術(shù)來制造,材料也跟集成電路芯片材料相關(guān)、現(xiàn)有的半導(dǎo)體制備工藝足夠應(yīng)對,可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn),且不像傳統(tǒng)透鏡需要精細(xì)打磨、拋光,因此價(jià)格比目前的鏡頭更便宜。


案例 | 通過 Ansys Lumerical FDTD 設(shè)計(jì)優(yōu)化超高數(shù)值孔徑超透鏡

設(shè)計(jì)的超構(gòu)光學(xué)透鏡示意圖,由不同旋轉(zhuǎn)角度的微納長方體柱排列而成,工作波長為 532 納米


基于超構(gòu)表面注1?的平面超構(gòu)光學(xué)透鏡,可在百納米厚度的微納結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)超大數(shù)值孔徑注2顯微物鏡,從而克服傳統(tǒng)光學(xué)玻璃物鏡加工難度大、成像系統(tǒng)體積大等缺點(diǎn)。目前一些鏡頭制造過程已自動化了,但鏡片工匠仍然很重要,通常需要 10-15 年的時(shí)間來培訓(xùn)技術(shù)人員以達(dá)到專業(yè)水平。


中山大學(xué)希望通過仿真工具在有限時(shí)間內(nèi)評估不同的超構(gòu)光學(xué)透鏡方案,靈活更改超構(gòu)光學(xué)透鏡周圍的浸沒材料,模擬材料變化后超構(gòu)透鏡的光學(xué)性能變化,例如焦點(diǎn)大小和效率;仿真結(jié)果必須和實(shí)驗(yàn)結(jié)果相近,從而讓仿真技術(shù)為超構(gòu)光學(xué)透鏡方案節(jié)約時(shí)間和設(shè)計(jì)成本。


案例 | 通過 Ansys Lumerical FDTD 設(shè)計(jì)優(yōu)化超高數(shù)值孔徑超透鏡

加工得到的超構(gòu)光學(xué)透鏡在掃描電子顯微鏡下的圖像


注 1:數(shù)值孔徑是光學(xué)透鏡極重要的基本參量,是衡量光學(xué)系統(tǒng)成像能力的標(biāo)尺。對于顯微物鏡,數(shù)值孔徑越大,成像光斑越小,成像細(xì)節(jié)越清晰。

注 2:超構(gòu)表面是一種具有橫向亞波長尺度的微納光學(xué)器件,可以在不到一個(gè)光學(xué)波長的結(jié)構(gòu)層上實(shí)現(xiàn)全 2π 相位的精確控制,從而實(shí)現(xiàn)對光波相位、偏振方式、傳播方向等特性的靈活有效調(diào)控。



解決方案


中山大學(xué)發(fā)現(xiàn) Ansys Lumerical FDTD 的能力與他們的研發(fā)需求高度契合:Lumerical 作為專業(yè)的模擬光學(xué)仿真軟件,有強(qiáng)大的設(shè)計(jì)環(huán)境,能夠?yàn)楣庾釉O(shè)計(jì)師提供具有創(chuàng)造性,高精確度和成本效益的設(shè)計(jì)解決方案,并能提供理想的光學(xué)設(shè)計(jì)軟件和技術(shù)服務(wù):

  1. Ansys Lumerical FDTD 軟件仿真解決方案,提供可靠的納米級元素分析結(jié)果

  2. Ansys Lumerical FDTD 軟件,模擬與不同情況相對應(yīng)的各種組成材料和背景材料設(shè)置

  3. Ansys Lumerical FDTD 實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確模擬超構(gòu)光學(xué)透鏡

  4. Ansys Lumerical FDTD 實(shí)現(xiàn)與 Ansys Zemax 軟件交互集成,可以進(jìn)行仿真數(shù)據(jù)互傳


案例 | 通過 Ansys Lumerical FDTD 設(shè)計(jì)優(yōu)化超高數(shù)值孔徑超透鏡

利用 Ansys Lumerical FDTD 軟件仿真模擬得到的超構(gòu)光學(xué)透鏡的聚焦光斑強(qiáng)度分布圖,左邊為超構(gòu)透鏡位于空氣中,右邊為透鏡位于油中



相關(guān)產(chǎn)品


Ansys Lumerical FDTD

案例 | 通過 Ansys Lumerical FDTD 設(shè)計(jì)優(yōu)化超高數(shù)值孔徑超透鏡

實(shí)驗(yàn)測試與仿真模擬得到的超構(gòu)光學(xué)透鏡聚焦光斑強(qiáng)度對比,左邊為超構(gòu)透鏡位于空氣中,右邊為透鏡位于油中??梢钥闯?Ansys Lumerical FDTD 的仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果很接近,證明了軟件的可靠性。


利用 Ansys Lumerical FDTD,中山大學(xué)在有限的時(shí)間內(nèi)評估了不同的超構(gòu)光學(xué)透鏡方案,并獲得了選擇理想方案的可靠數(shù)據(jù)。仿真是此項(xiàng)研發(fā)中的重要工具,為中山大學(xué)節(jié)約了大量方案選擇時(shí)間,減少材料消耗,減少試驗(yàn)次數(shù),節(jié)省人力,降低風(fēng)險(xiǎn)。



成果



“Ansys Lumerical FDTD 是理想可靠的仿真工具,幫助我們快速實(shí)現(xiàn)對超構(gòu)光學(xué)透鏡設(shè)計(jì)的研究目標(biāo);它提供了前所未有的精度,可提供與測量結(jié)果緊密匹配的仿真結(jié)果。”


——梁浩文,中山大學(xué)副教授





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