VirtualLab Fusion多元化光學(xué)仿真平臺原理簡介
VirtualLab Fusion多元化光學(xué)仿真平臺是德國LightTrans公司以場追跡概念開發(fā)出來的一款多元化光學(xué)仿真平臺，其集成了從幾何光學(xué)到物理光學(xué)、從近似到嚴(yán)格的各種麥克斯韋方程求解器，如LPIA（局部平面界面近似）、LLGA（局部線性光柵近似）、RK-BPM（龍格庫塔光束傳輸方法）、TEA（薄元近似）、FMM/RCWA（傅里葉模態(tài)法/嚴(yán)格耦合波法）等，能夠?qū)θ鐜缀瓮哥R、自由曲面、衍射透鏡、全息元件、GRIN透鏡以及光柵和Meta-Grating等各類元件進(jìn)行仿真和分析，以及如Geometric（幾何）、SPW（平面波譜）、Fresnel（菲涅爾）、Far Field（遠(yuǎn)場）、Rayleigh Sommerfeld（瑞利索墨菲）等，能夠?qū)Ω鞣N自由空間傳輸進(jìn)行計(jì)算。同時，VirtualLab Fusion還提供了三種傅里變換方法，包括FFT（快速傅里葉變換）、Semi-Analytical FT（半解析傅里葉變換）以及Pointwise FT（逐點(diǎn)傅里葉變換）。對于包含各類光學(xué)元件的整個復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)，通過非序列追跡功能，將所需的求解器連接起來，并通過選擇合適的傅里葉變換方法，以在空間域或者空間頻率域進(jìn)行光場傳輸計(jì)算，從而能夠在保證計(jì)算精度的情況下，更快的完成整個系統(tǒng)的仿真和分析，以實(shí)現(xiàn)多元化光學(xué)仿真。在整個仿真過程中，會考慮各種物理光學(xué)效應(yīng)，如干涉、衍射、像差、偏振、相干以及矢量效應(yīng)等。
多元化光學(xué)仿真平臺的仿真原理
VirtualLab Fusion 多元化光學(xué)仿真平臺的解決方案
VirtualLab Fusion的用戶受益于其在不斷增長的應(yīng)用范圍內(nèi)的突破性技術(shù)，包括但不限于以下解決方案:
• 透鏡系統(tǒng)
• 激光系統(tǒng)和fs/as脈沖
• 光纖耦合
• 衍射光學(xué)
• 光柵& Metasurfaces
• 微透鏡陣列
• 擴(kuò)散片和DOEs
• AR / VR / XR眼鏡
• 散射
• 干涉
VirtualLab Fusion多元化光學(xué)仿真平臺的靈活性建模
基于其獨(dú)創(chuàng)性的技術(shù)，VirtualLab Fusion在光源、元件和探測器的建模方面具有無與倫比的靈活性。
• 光源的建模包括但不限于激光，LEDs, LDs, VCSELs，熱光源，x射線源和超短脈沖。
• 元件的建模包括但不限于折射透鏡、自由曲面、菲涅耳透鏡、Pancake 透鏡、GRIN透鏡、超透鏡、光柵、DOEs、晶體、光闌、棱鏡、纖維、光纖、擴(kuò)散器、微透鏡陣列和SLMs。
• 探測器的建模包括但不限于像差，PSF/MTF，光束參數(shù)，輻照度，光度測定法，比色法和超短脈沖診斷。
在波導(dǎo)AR模型的眼箱中模擬光瞳中的光分布以及由此產(chǎn)生的MTF。仿真結(jié)果包括光源的時間相干性分析和波導(dǎo)內(nèi)部的衍射分析
VirtualLab Fusion多元化光學(xué)仿真平臺的分布式計(jì)算
多核仿真技術(shù)
VirtualLab Fusion具有許多交互性的仿真技術(shù)以及將這些技術(shù)鏈接起來的平臺。在技術(shù)選擇上，它提供了更準(zhǔn)確以及更快速的模擬結(jié)果。通過結(jié)合并行化算法與多核計(jì)算機(jī)，可以進(jìn)一步提高仿真速度。在VirtualLab Fusion中，大多數(shù)仿真算法支持并行處理，且能受益于多核計(jì)算機(jī)。接下來將展示VirtualLab Fusion的多核計(jì)算是如何顯著提高仿真速度。
收集基本模擬任務(wù)
光學(xué)建模和設(shè)計(jì)任務(wù)通常需要處理許多基本仿真任務(wù)。原因是多方面的，包括下面的例子：
多色光源和超短脈沖
由一組單色場表示，這些單色場必須通過系統(tǒng)傳播。每個單色場決定一個基本的仿真任務(wù)。
多模光源
發(fā)射多個橫向模式，例如，多模激光器或LED等擴(kuò)展源，每一種模式都可看作一個基本的仿真任務(wù)。
處理全視場(FOV)
例如，對于成像系統(tǒng)和AR眼鏡，結(jié)果是每個視場的基本仿真任務(wù)的疊加。
掃描系統(tǒng)參數(shù)
例如，移動探測器位置以分析焦點(diǎn)區(qū)域，每個參數(shù)得配置都是一個基本的仿真任務(wù)。
公差
分析多種配置從而研究光學(xué)系統(tǒng)對參數(shù)變化的靈敏度。每個系統(tǒng)的配置可看作一個基本的仿真任務(wù)。
優(yōu)化
使用現(xiàn)代技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化，如進(jìn)化算法，每個優(yōu)化步驟都需要許多基本的仿真任務(wù)。
如何實(shí)現(xiàn)高速計(jì)算？
在每個場景或場景的組合中，都有一組基本的仿真任務(wù)需要處理。分布式計(jì)算允許對集合的模擬進(jìn)行并行處理，而不是一個接一個地執(zhí)行模擬。所實(shí)現(xiàn)的仿真速度與應(yīng)用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的大小成正比。
配置與VirtualLab Fusion進(jìn)行分布式計(jì)算網(wǎng)絡(luò)設(shè)置的對話框
VirtualLab Fusion多元化光學(xué)仿真平臺的應(yīng)用領(lǐng)域
VirtualLab Fusion能夠?qū)崿F(xiàn)多元化光學(xué)的建模和仿真，已廣泛的應(yīng)用于高校、研究所以及各知名光學(xué)企業(yè)。其主要應(yīng)用領(lǐng)域如下：
1. 光束整形
VirtualLab Fusion能夠使用自由曲面，衍射光束分束器與圖案生成器，擴(kuò)散器和常規(guī)陣列微光學(xué)元件（包括但不局限于微透鏡陣列）實(shí)現(xiàn)光束整形。
1) 折射光束整形
2) 衍射光束整形
3) 擴(kuò)散片
4) 微透鏡陣列和微結(jié)構(gòu)單元陣列
衍射光學(xué)光束分束器的設(shè)計(jì)
2. 光學(xué)測量系統(tǒng)
通過高速物理光學(xué)，對干涉儀、光譜儀和傳統(tǒng)式或結(jié)構(gòu)照明式顯微鏡的成像質(zhì)量與分辨率限制進(jìn)行全面的研究。
1) 干涉儀
2) 顯微鏡
3) 單色儀
4) 光譜儀
干涉系統(tǒng)光線追跡示意圖以及干涉圖樣展示
3. 微納光子學(xué)
VirtualLab Fusion 中集成了傅里葉模態(tài)法，可以對周期性的結(jié)構(gòu)，例如任意結(jié)構(gòu)的光柵進(jìn)行精確的模擬，獲得相應(yīng)的近場、衍射級次以及衍射效應(yīng)。同時能夠?qū)鈻胚M(jìn)行優(yōu)化，以獲得所需要光柵結(jié)構(gòu)參數(shù)并集成到整個光學(xué)系統(tǒng)中進(jìn)行分析。也可以對非周期性的結(jié)構(gòu)，例如微納小顆粒進(jìn)行精確的模擬。
1) 1D和2D介質(zhì)光柵
2) 1D和2D界面光柵
3) 衍射級次計(jì)算、偏振分析以及內(nèi)部場計(jì)算
4) 納米圓柱
5) 優(yōu)化
傾斜光柵的優(yōu)化
平面波入射微納圓片時，圓片后透射光場分布
4. 光學(xué)成像系統(tǒng)
通過高速物理光學(xué)，實(shí)現(xiàn)透鏡系統(tǒng)建模。提供對包含鬼像和部分相干性的系統(tǒng)的可靠的PSF / MTF評估。系統(tǒng)中可以包含光柵，全息光學(xué)元件以及衍射透鏡。
1) 衍射透鏡
2) 高級PSF/MTF
3) 鬼像
4) 包含光柵的成像系統(tǒng)
基于高NA物鏡對微結(jié)構(gòu)晶圓進(jìn)行成像檢測
5. 激光物理/激光系統(tǒng)
高速物理光學(xué)可以有效地實(shí)現(xiàn)對激光光源、衍射、干涉、偏振的建模，并且可以使用任意感興趣的光束參數(shù)。
1) 激光傳輸
2) 掃描系統(tǒng)
3) 飛秒脈沖
4) 激光晶體
激光掃描系統(tǒng)的建模和仿真
6. 虛擬和混合現(xiàn)實(shí)
針對AR,VR以及MR應(yīng)用，VirtualLab Fusion為用戶提供了多通道波導(dǎo)成像系統(tǒng)的非序列建模技術(shù)，建模過程中能夠?qū)Σㄇ安睢⒛芰饕约癙SF/MTF進(jìn)行評估。
具有“蝴蝶式出瞳擴(kuò)展”的光導(dǎo)系統(tǒng)
7. 分布式計(jì)算
在沒有分布式計(jì)算時，生成基本仿真任務(wù)是在參數(shù)運(yùn)行中完成的。在分布式計(jì)算中，不需要更改工作流程�？梢酝ㄟ^對話配置和控制計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)這個功能�，F(xiàn)如今，VirtualLab Fusion利用分配好的網(wǎng)絡(luò)處理基本的仿真任務(wù)。簡而言之:VirtualLab Fusion的用戶只需多點(diǎn)擊幾下鼠標(biāo)，就能享受到分布式計(jì)算的強(qiáng)大功能。
使用分布式計(jì)算進(jìn)行AR光波導(dǎo)的測試成像仿真
VirtualLab Fusion多元化光學(xué)仿真平臺部分典型應(yīng)用示例
1. 基于各種干涉儀的測量系統(tǒng)仿真和分析
2. 包含光柵的復(fù)雜光學(xué)系統(tǒng)仿真和分析
3. 光纖耦合系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化
4. 基于表面光柵的光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)模擬與設(shè)計(jì)
5. 基于VCSEL陣列的點(diǎn)陣投影儀的人臉識別系統(tǒng)
6. 超表面結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化
7. 超透鏡設(shè)計(jì)和仿真
8. 非周期性微透鏡陣列整形
9. 衍射透鏡的設(shè)計(jì)和分析
10. 跨平臺聯(lián)合仿真與優(yōu)化
計(jì)算機(jī)配置
1. 操作系統(tǒng)：Windows系統(tǒng)，Win10及以上
2. CPU：推薦Intel I7及以上，主頻越高，計(jì)算速度越快，支持多核計(jì)算
3. 內(nèi)存：推薦32G及以上
4. 接口：USB接口
5. 顯卡：適配顯卡
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