別讓DOE的加工變“開盲盒”！用 Data-Defined Transimission(CF-TRAN01) 驗證 DOE 設(shè)計，真的太香了
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如圖1所示，系統(tǒng)參數(shù)如下：光源是高斯光源 束腰直徑 8 mm，也就是束腰半徑 4 mm 波長 532 nm DOE器件尺寸 8 mm × 8 mm 目標(biāo)平面位于DOE后方 200 mm 目標(biāo)是看目標(biāo)面上能不能得到 3×3 點陣分布
這次我們驗證的是一個很經(jīng)典的DOE任務(wù)：把一束高斯光，整形成一個 3×3 的點陣。任務(wù)本身不復(fù)雜，但特別適合拿來講清楚驗證思路。
二、這個案例要解決什么問題？
但光學(xué)系統(tǒng)這東西，最不認(rèn)感覺。尤其DOE這種器件，本身就對相位調(diào)制、采樣、量化、傳播條件都非常敏感。你只要有一個環(huán)節(jié)理解偏了、映射錯了，最后出來的結(jié)果就可能和預(yù)期差很遠(yuǎn)。所以對DOE來說，仿真驗證不是有空可以做一下，而是最好在加工前必須做。它最大的價值，不只是讓你看一張結(jié)果圖，而是讓你在真正花錢、花時間流片之前，先判斷這條路到底值不值得走。
“設(shè)計的時候感覺沒問題啊。”
這些問題，如果不提前驗證，最后就很容易演變成一句熟悉的話：
相位灰度和真實相位的映射有沒有搞對？ 導(dǎo)入軟件之后，物理量是不是設(shè)置錯了？ 傳播距離是不是和設(shè)計工況一致？ 連續(xù)相位一旦變成多臺階，效果會不會掉得很厲害？ 目標(biāo)點陣有沒有出來？ 出來了之后均勻性好不好？ 有沒有一堆雜散光和鬼像？
先說一個特別現(xiàn)實的問題。很多時候，我們做DOE設(shè)計的流程都是這樣的： 先設(shè)定目標(biāo)光場，然后通過迭代算法、優(yōu)化方法或者其他設(shè)計手段，最后得到一張相位圖。到這里，很多人會下意識覺得，工作完成得差不多了。但實際上，真正危險的地方，往往恰恰就在這之后。因為相位圖設(shè)計完成和最終光場重建正確之間，并不能直接畫等號。中間還隔著很多坑，比如：
一、為什么DOE設(shè)計一定要先驗證？
如果你正在做DOE設(shè)計，或者你手上已經(jīng)有相位圖了，但還不知道該怎么驗證，這篇基本可以直接拿去照著做。
這次我們不講特別復(fù)雜的大系統(tǒng)，就拿一個非常典型、也非常有代表性的案例來講：驗證一個 3×3 分束DOE 的整形效果。
所以今天這篇，我想分享一個特別實用、也特別適合工程場景的方法：怎么用 VirtualLab Fusion 里的 Data-Defined Transimission(CF-TRAN01)，把一張設(shè)計好的相位圖，真正變成可驗證的DOE模型，并且在加工之前，先把結(jié)果看明白。
說白了，DOE設(shè)計里最怕的，從來都不是沒有相位圖，而是你手里明明已經(jīng)有了相位圖，卻不知道它到底靠不靠譜。
它到底能不能把光整形成我想要的樣子？ 它在目標(biāo)面上到底會不會形成設(shè)計中的光斑？ 它是“理論上可行”，還是“實際上翻車”？ 如果直接拿去加工，最后會不會花了錢、等了周期，結(jié)果出來一看：不對勁？
算法跑完了，相位圖也出來了，文件夾里安安靜靜躺著一張“看起來很像那么回事”的全息相位圖。這個時候，最讓人上頭的問題就來了——這張圖，真的能打嗎？
做DOE設(shè)計的人，大概率都經(jīng)歷過這樣一個瞬間：
整個流程其實不復(fù)雜，總共可以分成五步，如圖2所示。真正做一遍之后你會發(fā)現(xiàn)，它比很多人想象中要直觀得多。
四、這個案例具體怎么做？
這一點非常關(guān)鍵。因為很多DOE在設(shè)計階段都很漂亮，仿佛天下無敵；一旦考慮工藝臺階數(shù)、實際制造精度，結(jié)果馬上就開始“掉血”。如果你只看理想相位，不看量化結(jié)果，那很多時候你驗證出來的是“理論好看”，不是“工程可做”。
因為實際工作中，很多時候我們最不缺的是設(shè)計結(jié)果，最缺的是把設(shè)計結(jié)果快速變成驗證模型的能力。Data-Defined Transimission(CF-TRAN01) 剛好把這一步給補上了。更重要的是，它還不只是能驗證理想連續(xù)相位。你甚至可以進一步做多臺階量化，去看實際加工之后效果會不會明顯變差。
對工程人員來說，這個方式真的很友好。
它不是讓你重新從零定義復(fù)雜的公式，也不是逼你手工一個像素一個像素地搭建DOE結(jié)構(gòu)，而是允許你把已有的相位結(jié)果導(dǎo)入進來，轉(zhuǎn)成透過率函數(shù)，再讓這個函數(shù)真正作用在光束上。
Data-Defined Transimission(CF-TRAN01)本質(zhì)上就是一個“把外部定義好的光學(xué)調(diào)制函數(shù)，真正加載進系統(tǒng)里參與計算”的工具。我們在DOE設(shè)計里常見的輸出形式是什么？ 往往就是一張相位圖。問題是，這張相位圖本身只是一個文件，它不會自己參與光傳播。你得先想辦法把它變成一個“有物理意義的器件”，軟件才能拿它去調(diào)制入射光場。Data-Defined Transimission(CF-TRAN01) 的作用，恰恰就是把這件事接起來。
三、Data-Defined Transimission(CF-TRAN01) 到底好用在哪？
這個案例好就好在，它非常像真實項目里的一個最小閉環(huán)。有輸入光； 有設(shè)計好的相位圖； 有DOE器件； 有傳播距離； 有目標(biāo)觀察面； 最后還有一個明確的問題：到底有沒有實現(xiàn)分束？如果你把這個案例吃透了，后面不管你做的是二維點陣、平頂光斑、特殊圖形投影，還是更復(fù)雜的光束整形，基本邏輯都是通的。
圖1. 532nm激光3×3分束DOE建模任務(wù)
第二步，把相位圖導(dǎo)進來。
然后把關(guān)鍵參數(shù)設(shè)好：高斯光源束腰半徑設(shè)為 4 mm 波長設(shè)為 532 nm 探測器和 Data-Defined Transimission(CF-TRAN01) 的距離設(shè)為 200 mm。這一步雖然簡單，但絕對不能馬虎。尤其是傳播距離，很多時候結(jié)果不對，不是因為DOE不行，而是因為你把探測面放錯了。DOE設(shè)計通常是針對特定目標(biāo)平面完成的，你測的位置不對，看到的自然也不是目標(biāo)圖樣。所以這里的邏輯很簡單：設(shè)計在哪兒成像，你就在哪兒看。
這就是最基本的自由空間傳播鏈路： 光源發(fā)光，經(jīng)過DOE調(diào)制，最后在目標(biāo)平面上看結(jié)果。
在光路編輯器里，先加三個元件：高斯光源 | Data-Defined Transimission(CF-TRAN01) | 探測器
第一步，先把系統(tǒng)骨架搭起來
導(dǎo)完相位圖之后，還沒完。因為你現(xiàn)在拿到的，還是一個帶有物理信息的數(shù)據(jù)對象，它還不是一個真正能放進系統(tǒng)里調(diào)光的“器件”。所以接下來要做的，就是選中這個 Harmonic Field，然后點擊創(chuàng)建 Transmission。這一步本質(zhì)上就是在做一件事： 把“相位分布”轉(zhuǎn)化成“對光場有調(diào)制作用的透過率函數(shù)”，如圖4左圖所示。
第三步，把相位數(shù)據(jù)變成真正的透過率函數(shù)
這就涉及到一個特別容易翻車的問題：相位范圍映射。比如你的相位圖設(shè)計時本來對應(yīng)的是 0 到 2π，但導(dǎo)入時你只設(shè)置成了 0 到 π，那么結(jié)果必然失真。看起來只是參數(shù)填錯了一點點，實際上整個波前調(diào)制都變了。所以這里一定要根據(jù)你相位圖原始編碼方式，正確設(shè)置最小值和最大值。很多DOE驗證翻車，不是算法不行，而是這一步物理量映射出了問題。
接下來，如圖3所示，導(dǎo)入設(shè)計好的相位圖。這里特別建議用灰度圖。原因很現(xiàn)實：灰度圖最適合作為相位映射的載體，導(dǎo)入的時候更清晰，也更容易控制物理量對應(yīng)關(guān)系。在導(dǎo)入時，不是簡單把它當(dāng)成一張圖顯示出來，而是要選擇創(chuàng)建 Harmonic Field，并把物理量設(shè)置成“相位”。這一步非常關(guān)鍵，甚至可以說決定了后面結(jié)果到底有沒有意義。因為此時軟件并不是在看這張圖長什么樣，而是在理解每一個像素到底代表多少相位。
這個案例里，最終看到的是一個比較清晰的 3×3 點陣，如圖5所示。也就是說，這張設(shè)計好的相位圖，經(jīng)過 Data-Defined Transimission(CF-TRAN01) 加載并完成自由空間傳播之后，成功把入射高斯光整形成了目標(biāo)圖樣。到這里，這個DOE設(shè)計至少完成了最基礎(chǔ)也最重要的一項驗證： 它確實“做出了想做的事”。
仿真結(jié)束后，直接看探測器上的光斑分布。
最后，把計算引擎設(shè)置為場追跡，選好合適的傳播算子，然后運行。為什么這里推薦場追跡？因為DOE本質(zhì)上是對光場相位進行精細(xì)調(diào)制，最終你關(guān)心的是經(jīng)過傳播之后，目標(biāo)面上的振幅和相位怎么演化成目標(biāo)光斑。場追跡方法在這類問題上非常合適，能夠比較完整地保留波動光學(xué)信息。
第五步，跑起來，看結(jié)果說話
為什么這很重要？因為理想中的DOE通常是連續(xù)相位，而實際加工出來的，往往是有限臺階，比如二值、四臺階、八臺階、十六臺階等等。臺階越少，對理想波前的逼近通常越差，衍射效率、均勻性、背景噪聲都可能受影響。所以如果你只驗證連續(xù)相位，那你得到的是理論最優(yōu)表現(xiàn)； 如果你進一步驗證量化相位，你看到的才更接近實際落地表現(xiàn)。這一層差別，往往決定了一個方案到底能不能真的走到制造。
這一步好用的地方，不僅僅在于“導(dǎo)入成功”。更大的價值在于，Data-Defined Transimission(CF-TRAN01) 通常還支持對連續(xù)相位圖做多臺階量化處理。也就是說，你可以在這里進一步模擬現(xiàn)實工藝。
來到最關(guān)鍵的一步：把剛才生成的透過率函數(shù)導(dǎo)入 Data-Defined Transimission(CF-TRAN01) 中，讓它正式成為這個元件的調(diào)制內(nèi)容，如圖3右圖所示。到這里，Data-Defined Transimission(CF-TRAN01) 就不再是一個空殼了，而是變成了一個由你的相位圖定義出來的DOE器件。
第四步，把透過率函數(shù)塞進 Data-Defined Transimission(CF-TRAN01) 里
圖4. 從Harmonic Field創(chuàng)建Transmission(左)和將Transmission導(dǎo)入Data-Defined Transimission(CF-TRAN01)(右)
對于工程開發(fā)來說，這一步非常值。因為它幫你把很多本來要在制造之后才暴露的問題，提前挪到了仿真階段。而這，恰恰就是光學(xué)仿真最迷人的地方： 不是替你畫一張圖，而是替你在真正投入成本之前，先把風(fēng)險看見。如果你手里也有一張DOE相位圖，還沒驗證過，那我真的建議你試一次。很多時候，一次仿真省下來的，不只是加工成本，更是整個項目反復(fù)試錯的時間。
這個案例雖然只是一個 3×3 分束DOE，但它很好地說明了一件事：DOE設(shè)計從來不是相位圖出來就結(jié)束了，而是相位圖出來之后，驗證才真正開始。通過 VirtualLab Fusion 的 Data-Defined Transimission(CF-TRAN01)，你可以把設(shè)計好的相位圖快速轉(zhuǎn)成可計算的DOE模型，再結(jié)合場追跡去看目標(biāo)平面的真實光斑分布。這樣一來，不僅能判斷設(shè)計是否達(dá)到了預(yù)期，還能進一步評估量化臺階、傳播條件和器件性能之間的關(guān)系。
七、總結(jié)
總而言之，這個方法最大的意義，就是讓DOE開發(fā)不再那么像“開盲盒”。
第五，省成本。 很多坑，在仿真階段踩掉，總比在流片回來之后踩要便宜得多。
第四，還能考慮制造因素。 通過相位量化，可以把驗證從“理想世界”拉回“現(xiàn)實世界”。
第三，結(jié)果直觀。 目標(biāo)面上到底長什么樣，探測器一看就知道。
第二，銜接自然。 很多DOE算法輸出的本來就是圖片格式或者相位分布文件，直接就能往下走。
第一，上手快。 對已有相位圖的設(shè)計來說，不需要你從零再建構(gòu)器件。
我自己覺得，這個方法最有價值的地方，不在于它多炫，而在于它特別接地氣。因為真實項目里，我們經(jīng)常遇到的情況是：相位圖已經(jīng)有了、 時間很緊、又不想重新從頭建復(fù)雜模型、還希望盡快知道這個方案值不值得繼續(xù)推進。這時候，Data-Defined Transimission(CF-TRAN01) 這套流程就特別順手。它的優(yōu)勢很明顯：
六、為什么這個方法特別適合工程驗證？
所以，仿真驗證這件事，真正的意義不是截圖一張結(jié)果圖，而是借助結(jié)果圖去判斷： 這個設(shè)計，到底是看起來不錯，還是真的值得做。
第四，量化之后還穩(wěn)不穩(wěn)？ 連續(xù)相位下效果很好，不代表臺階化之后也好。 如果量化后性能掉得很明顯，那說明這個設(shè)計對工藝特別敏感，落地風(fēng)險就會比較大。
第三，背景干不干凈？ 目標(biāo)點陣之外，是不是還有明顯雜散光、鬼像、拖尾或者噪聲底？ 一個真正好用的DOE，不能只會生成目標(biāo)，還得盡可能壓住非目標(biāo)。
第二，能量均不均勻？ 九個點是不是差不多亮？ 還是中間特別亮、邊上特別暗？ 對于很多應(yīng)用來說，均勻性甚至比“分成幾個點更重要。
第一，九個點的位置準(zhǔn)不準(zhǔn)？ 是不是在你預(yù)期的位置上？ 點與點之間的間距對不對？ 如果位置跑偏了，那可能不是設(shè)計本身錯了，也可能是傳播距離、采樣設(shè)置或者導(dǎo)入映射出了問題。
其實還不夠。很多人第一次做驗證時，只要看見九個點出來了，就會下意識覺得：成了。但如果你站在更工程化一點的角度，判斷一個DOE設(shè)計好不好，遠(yuǎn)不止“有沒有分出來”這么簡單。至少還應(yīng)該繼續(xù)看幾個問題。
五、看到 3×3 點陣，就算結(jié)束了嗎？
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