作為VirtualLab Fusion的開發(fā)者，我們認為光線光學和物理光學并不是用戶必須選擇的兩種分離的建模技術。在我們的概念中，光線追跡形式的光線光學是物理光學建模的一個子集。而在VirtualLab Fusion中，這不僅僅是一種學術主張，而是我們通過物理光學和光線光學建模之間的無縫且可控的轉換，將其引入到現(xiàn)實生活中的經驗。
理論背景
VirtualLab Fusion中的高速物理光學系統(tǒng)建模是由數(shù)學上表示為求解器的操作符來表示的。我們用這種方法連接求解器，并且我們稱之為場追跡連接求解器。求解器可以在x域和k域工作。傅立葉變換連接了這些域。可以看出，被傅里葉變換的光場顯示出低衍射效應的情況下，積分傅里葉變換(快速傅里葉變換FFT的形式)可以被逐點傅里葉變換（PFT）代替[wang2020]。這個替換是在VirtualLab Fusion的Modeling Level 3中自動完成的。逐點傅里葉變換和快速傅里葉變換之間切換的標準是相對衍射功率，它是菲涅耳數(shù)的推廣。通過在部分系統(tǒng)中實施逐點傅里葉變換，衍射效應可以獨立于相對衍射功率而被忽略。這是在不離開物理光學建模的情況下完成的，并且我們仍然包括仿真例如干涉、散斑、相干和偏振效應。當一個系統(tǒng)中的所有傅立葉變換都被強制為逐點變換時，衍射在整個系統(tǒng)中被忽略了，我們經常在物理光學中獲得完整的逐點建模。當我們只考慮采樣點位置的映射并在x域中連接它們時，我們就獲得了物理光學中的光線光學[Balardron 2019]。這可以理解為物理光學背景下光線追跡的一種推導。我們認為這是一個驚人的理論，它是VirtualLab Fusion中光線光學的基礎。
這將指導我們對應逐點傅立葉變換在系統(tǒng)的不同部分來應用Modeling level 1和2。
Modeling Level 1
在建模級別1中通過強制所有的傅里葉變換都是逐點的，衍射完全被忽略。這種建模在焦點區(qū)域檢測不到光的應用中通常就足夠了，例如遠場光束整形[Yang2020]、干涉儀裝置和分束光柵。
如果光源是激光光束，通常建議選擇衍射光源（Diffraction of Source Included）模式下的選項。以束腰定義的高斯光束為例。它在瑞利長度上的傳播由衍射所主導。這確保包括在“Diffraction of Source Included”內的選項的初始光場的傅里葉變換是由相對衍射效率自動選擇的。
Modeling Level 2
在Modeling Level 2中，通過在探測器選擇由相對衍射效率自定義的傅里葉變換，衍射會在所有探測器區(qū)域仔細考慮到。尤其關鍵的是當探測器位于光的聚焦區(qū)域時，例如在透鏡系統(tǒng)的像平面或焦平面中[wang2020]。在透鏡系統(tǒng)中，它提供了點擴散函數(shù)(PSF)和MTF的高精度計算，包括衍射、像差、偏振和矢量效應。Modeling Level 2也適用于當你研究微觀結構產生的光線時的情況。
如果光源是激光光束，同樣在Modeling Level 2中，通常建議選擇衍射光源（Diffraction of Source Included）下的選項。
Modeling Level 3
在最高的建模級別，所有傅立葉變換都是由相對衍射效率自動選擇的。通過這種方式，在系統(tǒng)中任何需要的地方衍射都會被考慮。這使得例如經過透鏡系統(tǒng)的傍軸光束傳播的精準建模以及系統(tǒng)中的多個以及串聯(lián)孔徑的建模成為可能。
請記住，計算時間會隨著建模級別的增加而增加，建議使用您的應用所需的最低級別。
Customized Modeling
對于更有經驗的用戶，我們提供定制建模（Customized Modeling）。
不同的傅里葉變換的選擇可以根據(jù)光源模式、元件和探測器來選擇。這就能夠研究不同配置的效果和性能優(yōu)化。
通過選擇元件和探測器內部的傅立葉變換選項，可以更具體地進行定制。
光線追跡
當場信息被跳過并且采樣點的位置(光線光學中的光線位置)和波前的局部法向量(光線光學中的光線方向)結合波前相位被考慮時，也包括像差，利用級別1的物理光學建模接近于光線光學建模。
VirtualLab Fusion提供了這種通過光線追跡（Ray Tracing）建模的光線光學建模。有光線光學定義的探測器均被評估。其他只顯示點列圖。
光線光學建模也可以通過Rays in System由系統(tǒng)中的光線顯示。
由于光線光學是從Modeling Level 1中推導出來的，因此，在光線光學中，我們也有一個與“Diffraction of Source Modes Included”選項相關的特征。它被稱為“Include Diffraction-Induced Contribution to Ray Direction”。光源模式衍射對光線方向有直接影響。有關更多信息請參閱用于光線追跡的光線的產生（Generation of Rays for Ray Tracing）。
推薦的建模工作流程
所有的技術都提供了完整的非序列建模，可以根據(jù)您的需求進行配置。您可以一次性構建系統(tǒng)，并且可以根據(jù)自己的選擇應用從序列到非序列的光線光學或者物理光學建模。
通過不同的建模選項，VirtualLab Fusion提供了獨特的建模工作流程：
1.用光源、元件和探測器設置您的系統(tǒng)。
2.使用Rays in System來評估您的系統(tǒng)。這為您提供了第一個建模印象，并告訴你系統(tǒng)的配置是否正確合理。在這里，您也可以嘗試“Include Diffraction-Induced Contribution to Ray Direction”選項。
3. 接下來執(zhí)行光線追跡（Ray Tracing）建模，獲得對系統(tǒng)行為的下一步了解，以及首次檢查探測器是否處于正確的位置。
4.繼續(xù)使用場追跡（Field T racing）級別1建模以獲得最初的物理光學結果。
5.場追跡（Field T racing）級別2為大多數(shù)光學系統(tǒng)(包括透鏡系統(tǒng))提供精確的建模結果。如果1級和2級建模產生相同的結果，傳播到探測器的場的衍射可以忽略不計。
6.通過使用場追跡（Field T racing）級別3，VirtualLab Fusion在需要的地方考慮到所有的衍射效應。該級別的建模結果與級別1建模的差異越大，衍射效應在系統(tǒng)建模中就越重要。
7.最后，您可以定制場追跡配置，以便更深入地了解其影響并優(yōu)化性能。預選的逐點傅里葉變換越多，模擬速度就越快。
8.如果您的建模配置良好，您可以將其與參數(shù)運行和優(yōu)化工具相結合，用于您的系統(tǒng)研究和優(yōu)化。
來源
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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