光學與光子學的物理定律可用於模擬光的傳播。傳統的反射與折射光學，又稱為幾何光學，將光描述為可透過光學材料 (如拋光玻璃、有色毛面塑膠、人體皮膚、消光白漆等) 反射、折射、擴散或吸收的光線。

相對地，繞射光學將光描述為電磁波。當光波遇到與其波長大小相若的微結構 (微光學元件) 或孔洞時，則會發生繞射現象。光穿過這些可能僅有數百奈米大小的結構時，光束可能會聚焦、塑形、重新定向或分束。

透過繞射操控光特性的元件，即稱為繞射光學元件 (DOE)。其中有些元件目前已用於光學中，例如繞射光柵，有些則是新興技術，公認為下一代光學鏡片 (例如超穎介面與超穎透鏡)。

DOE 可精準控制光波的相位、偏振與強度而深受歡迎。相較於傳統折射光學元件，它們也更加輕薄，有助於減少光學系統的體積、重量與成本。

有許多常見類型的 DOE 可用於操控光源。其中包括繞射光柵、菲涅耳波帶片、繞射光束分光器、繞射光束整形器與繞射擴散器。

繞射光柵

繞射光柵是一種光學結構，由非常微小且具週期性的圖樣組成，其間距與光的波長相若 (即在微米或奈米等級)。這些圖樣可以將入射光，重新導向至多個空間方向，又稱為繞射級數。繞射光柵廣泛應用於光譜學、擴增實境 (AR) 眼鏡等各種領域。 

繞射光柵有兩種類型：

• 表面浮雕光柵
• 體積全像光柵

表面浮雕光柵包含具週期性的小型溝槽，這些溝槽透過鑽石車削、3D 列印或光刻等機械製程製造。每種光柵的溝槽設計皆不同，使設計人員能針對特定應用與波長範圍量身打造。這些溝槽負責操控光線。若改變週期性與結構，將影響光柵的繞射效率與繞射級數。這使得在操控光線時的掌控力更佳。

體積全像光柵是在感光材料中記錄全像圖樣所製成。首先，將感光材料 (例如聚合物或玻璃) 暴露於由兩道相干雷射光產生的干涉圖樣下。這會在基材內部形成三維折射率調變。

當光以原始記錄角度之一照射該光柵時，它將會在過程中重新產生第二道記錄光束。其響應頻寬取決於材料、調變指數與光柵厚度。

菲涅耳波帶片

菲涅耳波帶片是由同心圓形光柵構成，其線條密度沿半徑方向逐漸增加 (即愈往外圈，環與環之間愈靠近)。這些同心圓光柵在透明與不透明之間交錯排列。光線打在透明環時會穿透，打在不透明環時則發生繞射。環與環的間距決定了繞射光的干涉方式，進而將光聚焦以形成影像。菲涅耳波帶片可用於多種波長，因此在 X 光成像、光譜學、攝影與望遠鏡等應用深具價值。

繞射光束分光器

繞射光束分光器是一種光柵，能將入射光束分成多個輸出光束，也就是不同的繞射級數。每個輸出光束保留與輸入光束相同的光學特性。這類裝置通常與單色光 (如雷射光) 併用，並針對特定波長與繞射角度設計。  

繞射光束整形器

繞射光束整形器會改變具有高斯強度分佈的雷射光相位輪廓及強度，也就是光束在中心最強，並向邊緣平滑遞減的亮度模式。繞射光束整形器透過操控輸入光束的特性，以改變輸出光束的形狀。輸出光束通常為圓形或矩形，但也可以取得其他形狀的光束輪廓。繞射光束整形器應用於微影製程、全像照明、光學感應器、生物醫學應用與雷射材料加工等領域。

繞射擴散器

繞射擴散器同樣將入射雷射光束轉換為多個輸出光束，但主要差異在於這些光束會相互重疊與干涉，以產生均勻的光分佈。它們通常由特定圖樣的微結構組成，這些圖樣決定了光的繞射與分佈方式。工程師可設計這些微米級結構，以產生特定的照明圖樣 (例如圓形、方形或十字形)。

繞射擴散器可用於均勻化光源，並將較窄光束擴散至更廣角度，不會受到傳統折射光學元件的限制。應用範圍包括：在機器視覺系統提供均勻照明以提升影像擷取品質；在顯示器改善可視角度；在閃光式光學雷達將雷射光束均勻擴散至廣域；以及在掃描式光學雷達，控制雷射光束擴散程度，也就是所謂的擴散角。 

除了既有的 DOE 外，另一類先進的繞射光學元件正逐漸崛起，成為下一代光學技術的代表。這些元件是透過奈米壓印與光刻等先進半導體製程技術製造而成。目前兩種最重要的先進 DOE，為超穎透鏡及用於光子積體電路 (PIC) 的光柵耦合器。

超穎透鏡

超穎透鏡是由數百萬個「超穎原子」組成，這些是具有不同形狀與尺寸的奈米級結構，分布於基板上以形成透鏡。表面上的超穎原子尺寸與位置，會改變光波導向方式。超穎透鏡是傳統厚重透鏡的超薄替代方案，其厚度約與一根頭髮相當且更加小巧。它們極為輕量，非常適合用於攜帶型裝置。此外，超穎透鏡可使用現有量產半導體晶片的製程與設備製造。

超穎透鏡還能聚焦或過濾特定顏色或波長，有效降低色差。這些優勢讓超穎透鏡成為傳統折射鏡片的有力替代方案，適用於多種應用，例如擴增實境眼鏡的投影系統、內視鏡的輕薄雙向成像/投影鏡頭，以及手機與無人機的成像攝影機。

適用光子積體電路的光柵耦合器

另一個領域是共同封裝光學，意指將光學元件與矽晶片，整合在單一封裝基板上的系統。共同封裝光學旨在解決現代電子裝置在功耗與頻寬方面的挑戰，經視為推動光子積體電路發展的重要關鍵。部分主要應用包含擴增實境、虛擬實境、影像感應器與光學通訊。

共同封裝光學能耦合兩個尺寸不同的波導 (輸入與輸出)，將光以訊號損耗最小的低衰減方式，從一個波導傳遞至另一個波導。這些波導接點預期將成為光子積體電路的基礎元件，並以光子元件取代傳統電子元件。由於光的傳播速度快於電子，光子積體電路在理論上能以更快的運作速度與資料傳輸率運作，所以預期將在未來備受重視。

繞射光學元件的複雜性與細微尺寸，非常適合使用三維電磁模擬軟體進行設計。以超穎透鏡為例，模擬可協助研究人員檢視超穎原子的位置和尺寸，以模擬光在不同排列下的繞射行為。模擬可幫助設計人員分析繞射光學元件作用下的場分佈、遠場圖樣與波前變化。

Ansys Lumerical 套件、Ansys Speos 軟體與 Ansys Zemax OpticStudio 軟體，都能用於模擬繞射光學元件。Lumerical 套件的 FDTD 與 RCWA 求解器，可用於設計個別元件，並以 OpticStudio 軟體分析 DOE 的效能。這些軟體套件可同時模擬單一透鏡或多重透鏡的行為。

設計與模擬超穎透鏡

模擬軟體可展示光如何穿透不同超穎原子排列與尺寸的超穎透鏡，還能匯出設計資料用於製造。這些模擬可用於開發擴增實境與小型投影器採用的透鏡。Ansys 軟體的多 GPU 設定，可整合多張 GPU 的記憶體與運算能力，加速模擬效能，進而模擬包含數百萬個超穎原子的大型透鏡系統。

模擬共同封裝光學

Lumerical 套件的共同封裝光學模擬，可建構光在波導中傳播的模型，並展示波導形狀在分光與導光中的關鍵角色。這些數位模型說明了共同封裝光學如何促進光子積體電路的發展。光學模擬也能協助設計人員評估，繞射光柵耦合光進入波導的效率，並展示如何調整波傳播以搭配後續波導的形狀與尺寸。此外，還能模擬波前如何合併形成特定圖樣。

共同封裝光學用光柵耦合器的輸入輸出設計

超穎透鏡與共同封裝光學推動了許多技術進步的發展，包括：

• 更輕薄小巧的手機與相機
• 可取代 CMOS 影像感應器微透鏡陣列與拜爾濾色鏡的超穎介面
• 輕巧且畫質更明亮清晰的擴增實境眼鏡
• 能取代傳統電子元件、提升高速通訊的光子元件
• 先進醫療光學技術，包括共軛焦雷射掃描顯微鏡、光學相干斷層掃描 (OCT)、內視鏡與人工晶體

Ansys 軟體工具能協助企業在製造開始前就大幅改善設計。如 Lumerical 套件等支援繞射光學元件設計的工具，如今已廣泛應用於學術界，並獲得許多國際企業用於增進產品品質。

您若希望提升繞射光學元件的設計與製造能力，並在市場中取得領先地位，歡迎聯絡我們的技術團隊。

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