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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