VirtualLab Fusion多元化光學仿真平臺原理簡介
VirtualLab Fusion多元化光學仿真平臺是德國LightTrans公司以場追跡概念開發出來的一款多元化光學仿真平臺，其集成了從幾何光學到物理光學、從近似到嚴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（傅里葉模態法/嚴格耦合波法）等，能夠對如幾何透鏡、自由曲面、衍射透鏡、全息元件、GRIN透鏡以及光柵和Meta-Grating等各類元件進行仿真和分析，以及如Geometric（幾何）、SPW（平面波譜）、Fresnel（菲涅爾）、Far Field（遠場）、Rayleigh Sommerfeld（瑞利索墨菲）等，能夠對各種自由空間傳輸進行計算。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（逐點傅里葉變換）。對于包含各類光學元件的整個復雜的光學系統，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行光場傳輸計算，從而能夠在保證計算精度的情況下，更快的完成整個系統的仿真和分析，以實現多元化光學仿真。在整個仿真過程中，會考慮各種物理光學效應，如干涉、衍射、像差、偏振、相干以及矢量效應等。
多元化光學仿真平臺的仿真原理
VirtualLab Fusion 多元化光學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用范圍內的突破性技術，包括但不限于以下解決方案:
• 透鏡系統
• 激光系統和fs/as脈沖
• 光纖耦合
• 衍射光學
• 光柵& Metasurfaces
• 微透鏡陣列
• 擴散片和DOEs
• AR / VR / XR眼鏡
• 散射
• 干涉
VirtualLab Fusion多元化光學仿真平臺的靈活性建模
基于其獨創性的技術，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，輻照度，光度測定法，比色法和超短脈沖診斷。
在波導AR模型的眼箱中模擬光瞳中的光分布以及由此產生的MTF。仿真結果包括光源的時間相干性分析和波導內部的衍射分析
VirtualLab Fusion多元化光學仿真平臺的分布式計算
多核仿真技術
VirtualLab Fusion具有許多交互性的仿真技術以及將這些技術鏈接起來的平臺。在技術選擇上，它提供了更準確以及更快速的模擬結果。通過結合并行化算法與多核計算機，可以進一步提高仿真速度。在VirtualLab Fusion中，大多數仿真算法支持并行處理，且能受益于多核計算機。接下來將展示VirtualLab Fusion的多核計算是如何顯著提高仿真速度。
收集基本模擬任務
光學建模和設計任務通常需要處理許多基本仿真任務。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傳播。每個單色場決定一個基本的仿真任務。
多模光源
發射多個橫向模式，例如，多模激光器或LED等擴展源，每一種模式都可看作一個基本的仿真任務。
處理全視場(FOV)
例如，對于成像系統和AR眼鏡，結果是每個視場的基本仿真任務的疊加。
掃描系統參數
例如，移動探測器位置以分析焦點區域，每個參數得配置都是一個基本的仿真任務。
公差
分析多種配置從而研究光學系統對參數變化的靈敏度。每個系統的配置可看作一個基本的仿真任務。
優化
使用現代技術進行優化，如進化算法，每個優化步驟都需要許多基本的仿真任務。
如何實現高速計算？
在每個場景或場景的組合中，都有一組基本的仿真任務需要處理。分布式計算允許對集合的模擬進行并行處理，而不是一個接一個地執行模擬。所實現的仿真速度與應用計算機網絡的大小成正比。
配置與VirtualLab Fusion進行分布式計算網絡設置的對話框
VirtualLab Fusion多元化光學仿真平臺的應用領域
VirtualLab Fusion能夠實現多元化光學的建模和仿真，已廣泛的應用于高校、研究所以及各知名光學企業。其主要應用領域如下：
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，擴散器和常規陣列微光學元件（包括但不局限于微透鏡陣列）實現光束整形。
1) 折射光束整形
2) 衍射光束整形
3) 擴散片
4) 微透鏡陣列和微結構單元陣列
衍射光學光束分束器的設計
2. 光學測量系統
通過高速物理光學，對干涉儀、光譜儀和傳統式或結構照明式顯微鏡的成像質量與分辨率限制進行全面的研究。
1) 干涉儀
2) 顯微鏡
3) 單色儀
4) 光譜儀
干涉系統光線追跡示意圖以及干涉圖樣展示
3. 微納光子學
VirtualLab Fusion 中集成了傅里葉模態法，可以對周期性的結構，例如任意結構的光柵進行精確的模擬，獲得相應的近場、衍射級次以及衍射效應。同時能夠對光柵進行優化，以獲得所需要光柵結構參數并集成到整個光學系統中進行分析。也可以對非周期性的結構，例如微納小顆粒進行精確的模擬。
1) 1D和2D介質光柵
2) 1D和2D界面光柵
3) 衍射級次計算、偏振分析以及內部場計算
4) 納米圓柱
5) 優化
傾斜光柵的優化
平面波入射微納圓片時，圓片后透射光場分布
4. 光學成像系統
通過高速物理光學，實現透鏡系統建模。提供對包含鬼像和部分相干性的系統的可靠的PSF / MTF評估。系統中可以包含光柵，全息光學元件以及衍射透鏡。
1) 衍射透鏡
2) 高級PSF/MTF
3) 鬼像
4) 包含光柵的成像系統
基于高NA物鏡對微結構晶圓進行成像檢測
5. 激光物理/激光系統
高速物理光學可以有效地實現對激光光源、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。
1) 激光傳輸
2) 掃描系統
3) 飛秒脈沖
4) 激光晶體
激光掃描系統的建模和仿真
6. 虛擬和混合現實
針對AR,VR以及MR應用，VirtualLab Fusion為用戶提供了多通道波導成像系統的非序列建模技術，建模過程中能夠對波前差、能流以及PSF/MTF進行評估。
具有“蝴蝶式出瞳擴展”的光導系統
7. 分布式計算
在沒有分布式計算時，生成基本仿真任務是在參數運行中完成的。在分布式計算中，不需要更改工作流程。可以通過對話配置和控制計算機網絡實現這個功能。現如今，VirtualLab Fusion利用分配好的網絡處理基本的仿真任務。簡而言之:VirtualLab Fusion的用戶只需多點擊幾下鼠標，就能享受到分布式計算的強大功能。
使用分布式計算進行AR光波導的測試成像仿真
VirtualLab Fusion多元化光學仿真平臺部分典型應用示例
1. 基于各種干涉儀的測量系統仿真和分析
2. 包含光柵的復雜光學系統仿真和分析
3. 光纖耦合系統的設計和優化
4. 基于表面光柵的光波導結構模擬與設計
5. 基于VCSEL陣列的點陣投影儀的人臉識別系統
6. 超表面結構的設計和優化
7. 超透鏡設計和仿真
8. 非周期性微透鏡陣列整形
9. 衍射透鏡的設計和分析
10. 跨平臺聯合仿真與優化
計算機配置
1. 操作系統：Windows系統，Win10及以上
2. CPU：推薦Intel I7及以上，主頻越高，計算速度越快，支持多核計算
3. 內存：推薦32G及以上
4. 接口：USB接口
5. 顯卡：適配顯卡
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