摘要

衍射擴散器可以被設計來創建任何圖案。在這里，我們展示了 VirtualLab Fusion的一些可能性，以設計、優化、建模和仿真這種衍射光學元件（DOE）并把公司的標志投射到一幢大樓上。有不同的方法來生成光的圖案。利用相干激光和衍射擴散器元件，可以實現良好的效率和有趣的光紋理，這將在下面進行演示。

避免0級衍射產生的影響

為了阻擋0級衍射，衍射擴散器將被設計成產生一個離軸LightTrans標志。

結果預覽

光束和圖案條件→設計目標圖案（DTP）

光束：尺寸評估

圖案：導入、準備、預變形、采樣考慮 

15m處的光斑尺寸

擴散器元件以創建所需圖案的方式偏轉入射光束。分辨率由單個光束點的大小決定。通過一個簡單的光學設置，我們確定可實現的光斑直徑為≥5毫米。

同時，我們已經可以識別出哪種束腰還沒有完全進入目標平面遠場。

關于設計目標模式（DTP）的相關信息

用于設計的迭代傅里葉變換算法（IFTA）用于在準直光照明的透射函數平面與k域偏轉光方向的相關目標值之間進行優化。

對于近軸系統，k域的模式與平行于DOE平面的空間域的模式成正比。

對于這里提出的設計，因此必須在這個平行平面中定義模式。

這種幾何扭曲的圖案可以很容易地使用另一個簡單的光學設置。

用于設計的預扭曲圖案

通過下面的光學設置，我們可以很容易地計算出預期屏幕上任何期望的投影光形狀在平行于DOE傾斜的平面上的樣子。這些扭曲的圖案可用于設計過程。

采樣和測試DTP

根據所需的光圖案紋理，必須考慮一個合適的圖案采樣，因為DTP的每個像素中心代表一個由擴散器偏轉的光束的目標位置。

根據我們在此場景中的經驗和意圖，我們選擇了5 mm的采樣距離。

基于完整樣本的小部分創建測試設計也很有幫助。

采樣距離為5mm的圖案的目標點直徑

為了顯示不同類型的散斑圖案，所考慮的束腰直徑將在[0.9；2.0]mm的范圍內。

相關的目標點直徑約為[6.5；13.9] mm。

測試設計

用于確定輸入光束直徑的可實現光紋理比較 

會話編輯器

IFTA：測試模式的設計和結果

圖案紋理/印象→選擇照明的束腰

上述結果為不同的目標點重疊場景提供了三種代表性的紋理：（較大的重疊導致較大的斑點和較高的峰值）

1. 標準重疊→最小斑點

2. 更少的重疊→擴散器和分束器之間的臨時外觀

根據主觀評價，這是最好的解決方案

對于這個應用，選擇了標準的重疊，產生了一個自然的，火焰狀的紋理。 

完整的設計，優化函數和仿真

雜散光，效率和全輸出場圖案 

優化區域

下方的插圖顯示了人們感興趣的各個領域及其目的。

為了提高對比度，從而減少所需圖案周圍的散射光，在投影表面的區域（黑色矩形）中引入了一個優化區域。

之后，我們將使用一個光闌（綠色矩形），它只傳輸由圖案產生的光，并阻止來自周圍環境的雜散光。

不同模式的設計

為了便于比較，我們進行了連續相位值、8相位和4相位臺階的元件設計。

作為優化區域，可以使用 LightTrans標志圖案本身或與投影區域連接的擴展區域。

可視化IFTA設計評估（振幅）

相鄰的圖顯示了不同設計模式下的衍射級次。

每個像素代表一個衍射級次。

每個設計都可以進一步優化。然而，對于這個比較，所有的結果都是使用原始的IFTA默認設置生成的。

對于這個應用，我們將堅持使用4臺階元件類型，它制造起來應該是更容易和更便宜的。

采用梯形區域作為優化區域，也提高了4臺階元件的對比度。

從優化的4臺階相位傳輸函數中得到的結果

通過使用IFTA的調整選項，4臺階設計可以顯著優化。

想了解更多信息，請參見附錄。

有光闌阻擋雜光的最終系統

附錄

扭曲的設計圖案的準備

測試仿真的系統調整

優化四臺階相位傳輸函數

設計是以犧牲均勻性為代價優化的，但這是可以忽略的，可以從下面的結果中看到，并在下一張幻燈片中解釋。

不同均勻性誤差下的散斑差異的說明

對于衍射擴散器元件，均勻性誤差通常不是那么重要。下面的圖顯示了IFTA和斑點系統的仿真結果，這說明了不太均勻的工作處理不會產生明顯不同的散斑模式。

實際產生的強度紋理由理論最小值和最大值之間的值表示，這是由所有涉及的重疊光束的理想的相消和理想的相長干涉（具有隨機相位值）造成的。灰色的圖顯示了一個（紅色的）目標點與其相鄰點的重疊。

當然，在設計中臺階設置不同，導致不同的均勻性誤差，結果也會有所不同。但是由于在IFTA過程中相同的起點（初始傳輸），產生的散斑形狀仍然可以很好地比較。

這些圓圈對應于1/e2的直徑

因此，這種比較給了具有不同均勻性誤差的散斑現象的代表性紋理。