FTI（Fresnel Technologies, Inc.）在 SPIE 上的演讲：衍射光学元件和菲涅耳透镜的区别特征

菲涅尔技术（Fresnel Technologies, Inc. 简称FTI）对比了DOE和菲涅尔透镜：（1）DOE的光学特性源于衍射/干涉，而菲涅尔透镜主要通过折射；（2）DOE采用改变入射光的相位，从而产生所需的衍射图案。菲涅尔透镜通过减少前后界面之间的材料来形成的环形区域，将光线聚焦到共同的点。（3）DOE轴向色差较大，焦距在不同波长范围内变化较大；菲涅尔透镜在整个波长范围内具有更一致的焦距和更低的色差

菲涅尔科技实验探索解释菲涅尔透镜和衍射光学元件 (DOE) 的区别。

由于外观相似且术语重叠，衍射光学元件 (DOE) 和菲涅尔透镜之间的区别经常被混淆。然而，了解它们各自的特性对于在各种光学系统中有效应用它们至关重要。本文基于菲涅尔科技的 A. Guidry、M. Kyrish、L. Stone、M. Fraelich、O. Lechuga 和 N. Claytor 的研究，深入探讨了DOE和菲涅尔透镜的区别。

背景和光学原理

衍射光学，即超透镜和超表面的别称，是 AR/VR 领域的一种流行解决方案，由于术语问题，经常与菲涅尔透镜混淆。尤其是对于那些熟悉菲涅尔区板且具有激光背景的人来说，这种混淆是可以理解的。菲涅尔区板是一种基本的衍射光学元件，用于创建透明和不透明同心环（或菲涅尔区）交替的图案，这些同心环以受控方式对光进行衍射。菲涅尔区板并非菲涅尔透镜，尽管两者都以多产的发明家奥古斯丁-让·菲涅尔 (Augustin-Jean Fresnel) 的名字命名。

衍射光学元件 (DOE) 和菲涅尔透镜的区别在于特征尺寸、光学性能和工作现象。DOE 的光学特性源于衍射/干涉，而菲涅尔透镜主要通过折射来工作。由于两种光传播方式都存在于光谱中，因此许多光学元件在一定程度上同时利用了这两种方式。然而，主要的物理现象决定了光学元件的分类。如果元件的光学性能可以通过几何光学充分建模和解释，则它属于折射领域。如果需要物理光学（也称为波动光学）来充分描述元件的光学性能，则它属于衍射光学元件。

设计与制造

DOE 和菲涅尔透镜的设计和制造工艺进一步凸显了它们的差异。菲涅尔透镜是通过减少前后界面之间的材料来形成的环形区域，将光线聚焦到共同的点。这种设计在保持光学性能的同时，最大限度地减少了重量和光吸收。另一方面，DOE 采用微结构设计，可以改变入射光的相位，从而产生所需的衍射图案。在本实验中，这两个元件均采用精密的金刚石车削技术制造，以达到所需的表面轮廓。

光学性能与计量

DOE 和菲涅尔透镜的光学性能通过计量技术进行评估。本研究对两种丙烯酸光学元件的样品进行了焦距计量。结果表明，与菲涅尔透镜相比，DOE 表现出更大的轴向色差，焦距在不同波长范围内变化显著。这种差异归因于衍射和折射这两种不同的工作现象。此外，表面粗糙度测量表明散射程度较低，确保了较高的光学性能。

DOE 和菲涅尔透镜之间的差异

菲涅尔透镜（左）和衍射光学元件（右）的并排视图。在 DOE 表面的光泽反射中可以看到色散。

菲涅尔透镜样品（左图A）和DOE样品（右图B）的表面轮廓剖面图。图中仅显示了菲涅尔凹槽靠近垂直台阶的一小块区域。

重要性

了解衍射光学元件 (DOE) 和菲涅尔透镜的独特特性对于其在光学系统中的有效应用至关重要。

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