前言

在光學設計領域，鏡頭系統是核心研究對象，鏡頭相關設計與仿真在光學設計中占據著重要比重。傳統鏡頭分析多依托幾何鏡頭設計等專業工具，而在需要精細化衍射分析的實際場景中，光學仿真需兼顧衍射效應等關鍵物理特性。本次我將以像散轉換器為實操案例，為大家講解如何通過 VirtualLab Fusion 導入鏡頭文件，完成包含衍射分析的光學系統仿真。

圖1. 模式像散轉換器概念圖

如圖1所示，像散轉換器，即Astigmatic Mode Converter，是由一對柱透鏡組成的器件，最早由Allen等人提出，用于將厄米高斯光束轉化為渦旋光束。像散是激光束的一種固有光學特性，表現為光束在 X、Y 兩個正交方向上的聚焦點不重合，而模式像散轉換器通過精密設計的光學結構（如特殊柱面鏡組、相位調制元件、光纖光柵等），可定量調控激光的像散量與像散方向：既能校正激光自身的像散缺陷，也能主動引入可控像散，讓激光束從 “非對稱形態” 轉化為 “對稱形態”，或從單一模式切換為目標模式。如果把激光束比作一條 “水流”，普通激光的像散就像水流在左右和前后方向的流速、寬度不一致，而模式像散轉換器就像一套精密的 “河道整形器”—— 既能把歪歪扭扭的水流調得筆直均勻，也能按需求把水流塑造成特定形狀，讓激光精準匹配后續的使用場景。

利用模式像散轉換器件可以將光纖激光輸出的橢圓光斑（帶固有像散）轉化為圓形高斯光斑，解決高功率激光加工中光斑能量分布不均的問題；它還可以消除超快激光、半導體激光在傳輸過程中產生的像散，保證激光聚焦精度，提升光刻、激光切割的加工質量；利用模式像散轉換器根據需求生成特定像散的激光模式，滿足光通信、量子光學、激光雷達等前沿領域的特殊光路要求。

像散轉換器的核心組件是柱透鏡，它是只有一個方向有曲率，在另一個方向完全平直的鏡片--就像把圓柱形玻璃切了一片，只在 “母線方向” 具備聚焦 / 發散能力，另一方向對光線 “視而不見”。柱透鏡可以進行非對稱聚焦：只改變光線在單一方向的傳播路徑，比如把發散的激光束 “壓成” 一條線，或把平行光聚焦成直線光斑；焦距從幾毫米到幾百毫米可定制，比如 70mm 焦距的平凸柱面鏡，是激光劃線、條碼掃描的常用款；常用材質為 N-BK7、石英、藍寶石等，可耐受高功率激光，適配不同波長（1064nm、532nm 等）。它常常被用于比如工業生產中在板材上投射精準直線；或者用于激光掃描，配合振鏡實現一維方向的光束壓縮；如眼科儀器中矯正光線，或生化分析儀的光路塑形也有它的身影。它還可以結構光投影中生成線性光斑，輔助三維成像。

柱透鏡的種類

圖2. 柱透鏡的三種結構

如圖2所示，根據柱面鏡表面的類型可以將它分為平凹柱面鏡、平凸柱面鏡和雙凸柱面鏡。單個平凸柱透鏡由一個矩形平面和一個圓柱面構成，前表面分別稱為母線和弧線，根據焦距公式R=f(n-1), f為鏡頭焦距，n為折射率，R為曲率半徑，矢高公式為，W為半弧線寬。這里設置寬度和長度都為20mm，材料為BK7，焦距為100mm，對應的曲率半徑為51.68 mm?？梢岳贸Ｓ玫能浖社R頭文件，也可以用VirtualLab Fusion中的Lens Sytem表面編輯的功能進行編輯。

VirtualLab Fusion仿真

VirtualLab Fusion支持導入外部鏡頭文件，導入對應的鏡頭文件后會自動生成一個光路編輯器，如圖3所示。

圖3. 導入外部鏡頭文件生成的光路編輯器

如圖4，點擊編輯表面，可以把對應的Elliptical改成Rectangular，表示從（橢）圓形變為矩形。設置完成之后可以將標簽改為CL1，選中CL1，復制、粘貼，將其命名為CL2，然后將其翻轉（選中之后點擊Turn Component）。這么做是為了讓兩個凸面相對，據說可以減小像差。在VirtualLab Fusion中也可以自行定義鏡頭，在光路編輯器中從Components->Multiple Surfaces-> Lens system 添加透鏡系統，然后點擊Add按鈕添加平面和圓柱面。

圖4. 編輯柱面鏡的表面

設置CL2和CL1的距離為141，為啥是141mm呢，這個距離其實是有講究的，是什么講究呢？原來啊，對于兩個焦距均為f的柱面透鏡，如果其距離為根號2倍f，那么就稱為π/2像散轉換器，作用是產生π/2的相位補償。根號2正好是1.41。

圖5. 翻轉鏡頭并設置CL1和CL2的距離為141 mm

這里補充一句，在VirtualLab Fusion中你總是可以選中任意多個元件，利用Combine Components 的功能將這些元件合多為一，如圖6所示。這有點類似MATLAB中的函數封裝，你不必知道這個盒子里面有什么東西，你總是可以把它當作一個線性系統，輸入一個參數，從而得到另外一個參數。在實際的仿真過程中，對于復雜系統，這么做是十分方便的。

圖6. 將兩個CL合成為一個Lens System

利用光線追跡引擎可以對柱透鏡組進行光線追跡分析，從圖7可以看到在一個面上沒有聚焦效果，在兩一個面則具有聚焦效果。

圖7. 模式像散轉換器VirtualLab Fusion光線追跡結果

場追跡的結果如圖8所示：可以看到將3階渦旋光轉換成了傾斜像散厄米高斯光束

圖8. 光源分布（左）和模式像散轉換器VirtualLab Fusion場追跡結果（右）