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[分享]VirtuaLab Fusion新版本：从光线光学到物理光学的无缝转换 [复制链接]

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只看楼主倒序阅读楼主发表于: 2021-09-10

作为VirtualLab Fusion的开发者，我们认为光线光学和物理光学并不是用户必须选择的两种分离的建模技术。在我们的概念中，光线追迹形式的光线光学是物理光学建模的一个子集。而在VirtualLab Fusion中，这不仅仅是一种学术主张，而是我们通过物理光学和光线光学建模之间的无缝且可控的转换，将其引入到现实生活中的经验。

理论背景

VirtualLab Fusion中的高速物理光学系统建模是由数学上表示为求解器的操作符来表示的。我们用这种方法连接求解器，并且我们称之为场追迹连接求解器。求解器可以在x域和k域工作。傅立叶变换连接了这些域。可以看出，被傅里叶变换的光场显示出低衍射效应的情况下，积分傅里叶变换(快速傅里叶变换FFT的形式)可以被逐点傅里叶变换（PFT）代替[wang2020]。这个替换是在VirtualLab Fusion的Modeling Level 3中自动完成的。逐点傅里叶变换和快速傅里叶变换之间切换的标准是相对衍射功率，它是菲涅耳数的推广。通过在部分系统中实施逐点傅里叶变换，衍射效应可以独立于相对衍射功率而被忽略。这是在不离开物理光学建模的情况下完成的，并且我们仍然包括仿真例如干涉、散斑、相干和偏振效应。当一个系统中的所有傅立叶变换都被强制为逐点变换时，衍射在整个系统中被忽略了，我们经常在物理光学中获得完整的逐点建模。当我们只考虑采样点位置的映射并在x域中连接它们时，我们就获得了物理光学中的光线光学[Balardron 2019]。这可以理解为物理光学背景下光线追迹的一种推导。我们认为这是一个惊人的理论，它是VirtualLab Fusion中光线光学的基础。

这将指导我们对应逐点傅立叶变换在系统的不同部分来应用Modeling level 1和2。

Modeling Level 1

在建模级别1中通过强制所有的傅里叶变换都是逐点的，衍射完全被忽略。这种建模在焦点区域检测不到光的应用中通常就足够了，例如远场光束整形[Yang2020]、干涉仪装置和分束光栅。

如果光源是激光光束，通常建议选择衍射光源（Diffraction of Source Included）模式下的选项。以束腰定义的高斯光束为例。它在瑞利长度上的传播由衍射所主导。这确保包括在“Diffraction of Source Included”内的选项的初始光场的傅里叶变换是由相对衍射效率自动选择的。

Modeling Level 2

在Modeling Level 2中，通过在探测器选择由相对衍射效率自定义的傅里叶变换，衍射会在所有探测器区域仔细考虑到。尤其关键的是当探测器位于光的聚焦区域时，例如在透镜系统的像平面或焦平面中[wang2020]。在透镜系统中，它提供了点扩散函数(PSF)和MTF的高精度计算，包括衍射、像差、偏振和矢量效应。Modeling Level 2也适用于当你研究微观结构产生的光线时的情况。

如果光源是激光光束，同样在Modeling Level 2中，通常建议选择衍射光源（Diffraction of Source Included）下的选项。

Modeling Level 3

在最高的建模级别，所有傅立叶变换都是由相对衍射效率自动选择的。通过这种方式，在系统中任何需要的地方衍射都会被考虑。这使得例如经过透镜系统的傍轴光束传播的精准建模以及系统中的多个以及串联孔径的建模成为可能。
请记住，计算时间会随着建模级别的增加而增加，建议使用您的应用所需的最低级别。

Customized Modeling

对于更有经验的用户，我们提供定制建模（Customized Modeling）。
不同的傅里叶变换的选择可以根据光源模式、元件和探测器来选择。这就能够研究不同配置的效果和性能优化。
通过选择元件和探测器内部的傅立叶变换选项，可以更具体地进行定制。

光线追迹

当场信息被跳过并且采样点的位置(光线光学中的光线位置)和波前的局部法向量(光线光学中的光线方向)结合波前相位被考虑时，也包括像差，利用级别1的物理光学建模接近于光线光学建模。

VirtualLab Fusion提供了这种通过光线追迹（Ray Tracing）建模的光线光学建模。有光线光学定义的探测器均被评估。其他只显示点列图。

光线光学建模也可以通过Rays in System由系统中的光线显示。

由于光线光学是从Modeling Level 1中推导出来的，因此，在光线光学中，我们也有一个与“Diffraction of Source Modes Included”选项相关的特征。它被称为“Include Diffraction-Induced Contribution to Ray Direction”。光源模式衍射对光线方向有直接影响。有关更多信息请参阅用于光线追迹的光线的产生（Generation of Rays for Ray Tracing）。

推荐的建模工作流程

所有的技术都提供了完整的非序列建模，可以根据您的需求进行配置。您可以一次性构建系统，并且可以根据自己的选择应用从序列到非序列的光线光学或者物理光学建模。
通过不同的建模选项，VirtualLab Fusion提供了独特的建模工作流程：
1.用光源、元件和探测器设置您的系统。
2.使用Rays in System来评估您的系统。这为您提供了第一个建模印象，并告诉你系统的配置是否正确合理。在这里，您也可以尝试“Include Diffraction-Induced Contribution to Ray Direction”选项。
3. 接下来执行光线追迹（Ray Tracing）建模，获得对系统行为的下一步了解，以及首次检查探测器是否处于正确的位置。
4.继续使用场追迹（Field T racing）级别1建模以获得最初的物理光学结果。
5.场追迹（Field T racing）级别2为大多数光学系统(包括透镜系统)提供精确的建模结果。如果1级和2级建模产生相同的结果，传播到探测器的场的衍射可以忽略不计。
6.通过使用场追迹（Field T racing）级别3，VirtualLab Fusion在需要的地方考虑到所有的衍射效应。该级别的建模结果与级别1建模的差异越大，衍射效应在系统建模中就越重要。
7.最后，您可以定制场追迹配置，以便更深入地了解其影响并优化性能。预选的逐点傅里叶变换越多，模拟速度就越快。
8.如果您的建模配置良好，您可以将其与参数运行和优化工具相结合，用于您的系统研究和优化。

来源
 Z. Wang, O. Baladron-Zorita, C. Hellmann, and F. Wyrowski, ‘Theory and Algorithm of the Homeomorphic Fourier Transform for Optical Simulations’, Optics Express (2020); https://doi.org/10.1364/OE.388022
 O. Baladron-Zorita, Z. Wang, C. Hellmann, and F. Wyrowski, ‘Isolating the Gouy Phase Shift in a Full Physical-Optics Solution to the Propagation Problem’, J. Opt. Soc. Am. A 36, 1551-1558(2019); https://doi.org/10.1364/JOSAA.36.001551
 L. Yang, I. Badar, C. Hellmann, and F. Wyrowski, ‘Light shaping by freeform surface from a physical-optics point of view’, Optics Express (2020); https://doi.org/10.1364/OE.392420
 Z. Wang, O. Baladron-Zorita, C. Hellmann, and F. Wyrowski, “Generalized Debye integral “, Opt. Express 28, 24459-24470 (2020), https://doi.org/10.1364/OE.397010

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