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VirtualLab Fusion多元化光学仿真平台原理简介

VirtualLab Fusion多元化光学仿真平台是德国LightTrans公司以场追迹概念开发出来的一款多元化光学仿真平台，其集成了从几何光学到物理光学、从近似到严格的各种麦克斯韦方程求解器，如LPIA（局部平面界面近似）、LLGA（局部线性光栅近似）、RK-BPM（龙格库塔光束传输方法）、TEA（薄元近似）、FMM/RCWA（傅里叶模态法/严格耦合波法）等，能够对如几何透镜、自由曲面、衍射透镜、全息元件、GRIN透镜以及光栅和Meta-Grating等各类元件进行仿真和分析，以及如Geometric（几何）、SPW（平面波谱）、Fresnel（菲涅尔）、Far Field（远场）、Rayleigh Sommerfeld（瑞利索墨菲）等，能够对各种自由空间传输进行计算。同时，VirtualLab Fusion还提供了三种傅里变换方法，包括FFT（快速傅里叶变换）、Semi-Analytical  FT（半解析傅里叶变换）以及Pointwise FT（逐点傅里叶变换）。对于包含各类光学元件的整个复杂的光学系统，通过非序列追迹功能，将所需的求解器连接起来，并通过选择合适的傅里叶变换方法，以在空间域或者空间频率域进行光场传输计算，从而能够在保证计算精度的情况下，更快的完成整个系统的仿真和分析，以实现多元化光学仿真。在整个仿真过程中，会考虑各种物理光学效应，如干涉、衍射、像差、偏振、相干以及矢量效应等。 

多元化光学仿真平台的仿真原理

VirtualLab Fusion 多元化光学仿真平台的解决方案

VirtualLab Fusion的用户受益于其在不断增长的应用范围内的突破性技术，包括但不限于以下解决方案:

•透镜系统

•激光系统和fs/as脉冲

•光纤耦合

•衍射光学

•光栅& Metasurfaces

•微透镜阵列

•扩散片和DOEs

•AR / VR / XR眼镜

•散射

•干涉

VirtualLab Fusion多元化光学仿真平台的灵活性建模

基于其独创性的技术，VirtualLab Fusion在光源、元件和探测器的建模方面具有无与伦比的灵活性。•光源的建模包括但不限于激光，LEDs, LDs, VCSELs，热光源，x射线源和超短脉冲。•元件的建模包括但不限于折射透镜、自由曲面、菲涅耳透镜、Pancake 透镜、GRIN透镜、超透镜、光栅、DOEs、晶体、光阑、棱镜、纤维、光纤、扩散器、微透镜阵列和SLMs。•探测器的建模包括但不限于像差，PSF/MTF，光束参数，辐照度，光度测定法，比色法和超短脉冲诊断。在波导AR模型的眼箱中模拟光瞳中的光分布以及由此产生的MTF。仿真结果包括光源的时间相干性分析和波导内部的衍射分析。

VirtualLab Fusion多元化光学仿真平台的分布式计算

多核仿真技术

VirtualLab Fusion具有许多交互性的仿真技术以及将这些技术链接起来的平台。在技术选择上，它提供了更准确以及更快速的模拟结果。通过结合并行化算法与多核计算机，可以进一步提高仿真速度。在VirtualLab Fusion中，大多数仿真算法支持并行处理，且能受益于多核计算机。接下来将展示VirtualLab Fusion的多核计算是如何显著提高仿真速度。

收集基本模拟任务

光学建模和设计任务通常需要处理许多基本仿真任务。原因是多方面的，包括下面的例子：

多色光源和超短脉冲

由一组单色场表示，这些单色场必须通过系统传播。每个单色场决定一个基本的仿真任务。

多模光源

发射多个横向模式，例如，多模激光器或LED等扩展源，每一种模式都可看作一个基本的仿真任务。

处理全视场(FOV)

例如，对于成像系统和AR眼镜，结果是每个视场的基本仿真任务的叠加。

扫描系统参数

例如，移动探测器位置以分析焦点区域，每个参数得配置都是一个基本的仿真任务。

公差 

分析多种配置从而研究光学系统对参数变化的灵敏度。每个系统的配置可看作一个基本的仿真任务。

优化 

使用现代技术进行优化，如进化算法，每个优化步骤都需要许多基本的仿真任务。

如何实现高速计算？

在每个场景或场景的组合中，都有一组基本的仿真任务需要处理。分布式计算允许对集合的模拟进行并行处理，而不是一个接一个地执行模拟。所实现的仿真速度与应用计算机网络的大小成正比。

VirtualLab Fusion多元化光学仿真平台的应用领域

VirtualLab Fusion能够实现多元化光学的建模和仿真，已广泛的应用于高校、研究所以及各知名光学企业。其主要应用领域如下：

1.光束整形

VirtualLab Fusion能够使用自由曲面，衍射光束分束器与图案生成器，扩散器和常规阵列微光学元件（包括但不局限于微透镜阵列）实现光束整形。

1)折射光束整形

2)衍射光束整形

3)扩散片

4)微透镜阵列和微结构单元阵列

2.光学测量系统

通过高速物理光学，对干涉仪、光谱仪和传统式或结构照明式显微镜的成像质量与分辨率限制进行全面的研究。

1)干涉仪

2)显微镜

3)单色仪

4)光谱仪

干涉系统光线追迹示意图以及干涉图样展示

3.微纳光子学

VirtualLab Fusion 中集成了傅里叶模态法，可以对周期性的结构，例如任意结构的光栅进行精确的模拟，获得相应的近场、衍射级次以及衍射效应。同时能够对光栅进行优化，以获得所需要光栅结构参数并集成到整个光学系统中进行分析。也可以对非周期性的结构，例如微纳小颗粒进行精确的模拟。

1)1D和2D介质光栅

2)1D和2D界面光栅

3)衍射级次计算、偏振分析以及内部场计算

4)纳米圆柱

5)优化

倾斜光栅的优化

平面波入射微纳圆片时，圆片后透射光场分布

4.光学成像系统

通过高速物理光学，实现透镜系统建模。提供对包含鬼像和部分相干性的系统的可靠的PSF / MTF评估。系统中可以包含光栅，全息光学元件以及衍射透镜。

1)衍射透镜

2)高级PSF/MTF

3)鬼像

4)包含光栅的成像系统

基于高NA物镜对微结构晶圆进行成像检测

5.激光物理/激光系统

高速物理光学可以有效地实现对激光光源、衍射、干涉、偏振的建模，并且可以使用任意感兴趣的光束参数。

1)激光传输

2)扫描系统

3)飞秒脉冲

4)激光晶体

激光扫描系统的建模和仿真

6.虚拟和混合现实

针对AR,VR以及MR应用，VirtualLab Fusion为用户提供了多通道波导成像系统的非序列建模技术，建模过程中能够对波前差、能流以及PSF/MTF进行评估。

具有“蝴蝶式出瞳扩展”的光导系统

7.分布式计算

在没有分布式计算时，生成基本仿真任务是在参数运行中完成的。在分布式计算中，不需要更改工作流程。可以通过对话配置和控制计算机网络实现这个功能。现如今，VirtualLab Fusion利用分配好的网络处理基本的仿真任务。简而言之:VirtualLab Fusion的用户只需多点击几下鼠标，就能享受到分布式计算的强大功能。

使用分布式计算进行AR光波导的测试成像仿真

VirtualLab Fusion多元化光学仿真平台部分典型应用示例

1.基于各种干涉仪的测量系统仿真和分析

2.包含光栅的复杂光学系统仿真和分析

3.光纤耦合系统的设计和优化

4.基于表面光栅的光波导结构模拟与设计

5.基于VCSEL阵列的点阵投影仪的人脸识别系统

6.超表面结构的设计和优化

7.超透镜设计和仿真

8.非周期性微透镜阵列整形

9.衍射透镜的设计和分析

10.跨平台联合仿真与优化

计算机配置

1.操作系统：Windows系统，Win10及以上

2.CPU：推荐Intel I7及以上，主频越高，计算速度越快，支持多核计算

3.内存：推荐32G及以上

4.接口：USB接口

5.显卡：适配显卡