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Zemax光学设计实例（85）---在序列模式下菲涅尔透镜的仿真

2021-12-20 10:25| 发布者：Davis| 查看：2221| 评论：0|原作者: 小小光08

摘要：本文介绍了在Zemax中使用序列模式下的四种面型进行菲涅尔透镜的仿真，分别为Fresnel Surface、Generalized Fresnel Surface、Cylinder Fresnel Surface和Extended Fresnel Surface。通过调整曲率半径、厚度、偶次非球面系数等参数，可以提高成像质量。读者可以根据具体情况和需求选择合适的方法。

导论：

在Zemax中，有多种仿真菲涅尔透镜的工具，既可以在序列模式下，也可以在非序列模式下进行仿真。

ZEMAX仿真：

在序列模式下，有四种面型可以用于菲涅尔透镜的仿真，分别为Fresnel、Generalized Fresnel、CylinderFresnel和Extended Fresnel。

（1） Fresnel Surface

FresnelSurface用于模拟在小尺度上蚀刻成球面(或者非球面)轮廓的平面。

表面截距是通过计算入射光线与一个平面的交点来确定的。一旦找到了平面交点，表面就按照球面(或非球面)来处理，以便光线折射进入下一个介质。然而，这只是一个真实菲涅尔透镜的近似。实际菲涅尔透镜有凹槽，可以改变精确的交点。这里使用的模型适用于有细凹槽的菲涅尔透镜(凹槽的深度与孔径相比非常浅)。很大的菲涅耳透镜，例如用于灯塔的菲涅尔透镜，就不能用这个很好地建模。如果有曲率半径和圆锥常数，则与标准曲面的设定方式相同。参数值与偶次非球模型完全相同，多项式非球面支持到16次。

我们用Fresnel Surface做下仿真。

系统的入瞳直径设为63，波长587nm，默认0视场。

将Surface 1设置为Fresnel，材料为Acrylic，表面为非球面，具体参数如下图：

查看下2D Layout，如下图：

从上图看，菲涅尔透镜就是一个平板，不会显示出具体的结构，Fresnel Surface只是仿真了菲涅尔透镜的光学效果。

我们同样可以通过优化曲率半径、厚度、偶次非球面系数等参数来提高成像质量。

（2） Generalized Fresnel Surface

Generalized Fresnel Surface是Fresnel Surface的一般化扩展。

在老版本的zemax中，Generalized FresnelSurface需要由两部分描述，一部分在LDE中，可以设置曲率半径、厚度、材料、偶次非球面系数等参数，另一部分在EDE中，可以设置最大项数、归一化半径、每个阶次的系数等。

在Zemax 17后的版本，取消了EDE，都直接在LDE中输入相应参数就可以了。

我们用Generalized Fresnel Surface做下仿真。

系统的入瞳直径设为63，波长587nm，默认0视场。

将Surface 3设置为Generalized Fresnel，材料为Acrylic，表面为非球面，具体参数如下图：

查看下3D Layout，如下图：

（3） Cylinder Fresnel Surface

CylinderFresnel Surface柱面菲涅尔透镜有多项式非球形柱面基底，以及一个定义菲涅尔透镜性质的独立多项式非球面柱面函数。

在老版本的zemax中，Cylinder Fresnel Surface需要由两部分描述，一部分在LDE中，可以设置曲率半径、厚度、材料、偶次非球面系数等参数，另一部分在EDE中，可以设置曲率（半径的倒数）、最大非球面项数、归一化半径、每个阶次的系数等。

在Zemax 17后的版本，取消了EDE，都直接在LDE中输入相应参数就可以了。

我们用Cylinder Fresnel Surface做下仿真。

系统的入瞳直径设为50，波长587nm，默认0视场。

将Surface 1设置为Cylinder Fresnel，材料为Acrylic，表面为非球面，具体参数如下图：

查看下3D Layout，如下图：

（4） Extended Fresnel Surface

ExtendedFresnel Surface扩展菲涅尔透镜，它描述的菲涅尔面是具有曲面折射或反射能力的面。

扩展菲涅尔面增加了该类型的适用性，支持平面、球面、二次曲面或非球面的基底。

在老版本的zemax中，Extended FresnelSurface需要由两部分描述，一部分在LDE中，可以设置曲率半径、厚度、材料、偶次非球面系数等参数，另一部分在EDE中，可以设置曲率（半径的倒数）、最大非球面项数、归一化半径、每个阶次的系数等。

在Zemax 17后的版本，取消了EDE，都直接在LDE中输入相应参数就可以了。

我们用Extended Fresnel Surface做下仿真。

系统的入瞳直径设为30，波长587nm，默认0视场。

将Surface 3设置为Extended Fresnel，材料为Acrylic，表面为非球面，具体参数如下图：

查看3D Layout，如下图：

以上是在序列模式下仿真菲涅尔透镜的方法，至于用哪一种，要根据具体情况来分析和尝试，也可以考虑组合的方式来实现设计需求。

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