衍射模擬 ansys的案例
Ansys Zemax | 利用 Kogelnik 方法模擬體全息光柵的衍射效率
本文介紹了OpticStudio 21.1中新的原生體全息模擬功能，此功能考慮到全息光柵的物理特性，在序列模式下對其進行全面模擬和分析。同時，也示范使用現有DLL在非序列模式下展示相同的功能。這些分析對于設計虛擬現實（VR）和增強現實（AR）的頭戴型顯示器（HMD）和抬頭顯示器（HUD）等系統非常重要。
本文解釋了模型中使用的理論和參數，并介紹了5個系統范例。
序列模式的體全息在OpticStudio的所有版本上都可以使用，但是衍射效率分析只有訂閱制才能使用。DLL是訂閱制旗艦版本的功能。
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簡介
體全息在許多類型的光學系統中很受歡迎，例如：抬頭顯示器（HUD）、增強現實（AR）和虛擬現實（VR）的頭戴式顯示器（HMD）。全息能夠將光線衍射到任何所需的角度，其波長和角度的選擇性使其能夠創造更輕、更緊密的光學系統。
OpticStudio長期以來一直支持理想全息的模擬。然而，為了準確地說明體全息的特性，除了考慮衍射光線的傳播方向外，還必須考慮衍射效率、材料收縮或折射率變化等因素。考慮衍射效率使用戶能夠進行圖像模擬和綜合優化等高級分析。
表面浮雕光柵與體全息光柵的比較
在介紹這個模型之前，我們先簡單解釋一下表面浮雕光柵（SRG）和體全息光柵（VHG）的區別。這兩種光柵在光學系統中的作用幾乎是一樣的，但在制造和模擬方面卻有很大的不同。
圖 1. （a） 表面浮雕光柵 （b） 體全息光柵
圖1（b）所示的VHG是通過在感光材料薄膜上曝光兩個或多個光束來制造。然后將薄膜進行化學或熱顯影：這就是光柵。光柵上的表面是光滑的，但光柵內部的折射率是正弦調變的。為了對VHG進行建模，需要使用高效的Kogelnik理論或嚴格耦合波分析（RCWA）等算法。
展開 Ansys Zemax | 使用衍射光學器件模擬增強現實 （AR） 系統的出瞳擴展器 （EPE）：第 1 部分
如果用戶對這種類型的設計感興趣，可以查看這篇文章來了解更多信息： Ansys Lumerical｜帶 1D-2D 光柵的出瞳擴展器。
下一篇預告：Ansys Zemax | 使用衍射光學器件模擬增強現實（AR）系統的出瞳擴展器 （EPE）：第 2 部分
鍍膜正弦光柵中光衍射的精確模擬
案例246.01：鍍膜正弦光柵中光衍射的精確模擬
這個案例演示了對于鍍膜光柵的嚴格模擬，它說明了鍍膜對所有反射級次的總反射效率的影響。
關鍵詞：嚴格分析，FMM，正弦光柵，鍍膜
所需工具箱子：光柵工具箱
相關案例：G.001a,Scenario 104.01
建模任務
加載例子文件‘246.01_Sinusoidal_Grating_with_Coating.lpd’,例子文件包含一個正弦光柵，使用光柵效率分析器分析光柵。
雙擊General 2D Grating component選擇Struture Function 頁面，打開編輯對話框，添加光柵。
為了在嚴格模擬時添加鍍膜，必須將堆棧作為一個序列的表面和材料添加進來。點擊Stack Tools,選擇Insert Coating。
選擇光學界面no.1作為鍍膜表面。點擊 按鈕來載入膜層目錄。
選擇Light Trans Defined catalogs和Standard-HR catalog,點選Stack01_632.8nm。選擇OK關閉對Edit Coating Tool話框。
堆棧編輯器包含頂層表面的膜層。點擊OK關閉堆棧編輯器。點擊底部的OK按鈕來關閉元件對話框。使用光柵效率分析器分析光柵。
X線偏振光模擬結果：
探測器主窗口中可以看到結果信息，鍍膜后的反射率顯著加強。
在Ideal Plane Wave 光源編輯對話框中改變偏振態為y方向線偏光。這里有兩個預先設置好的例子文件來演示y線偏光。
Y線偏光模擬結果
對于y線偏光同樣鍍膜會顯著增加反射率。
展開 VirtualLab運用：模擬衍射光束分束器元件
案例23（2.0）
1.模擬任務
此案例介紹了如何使用VirtualLab Fusion 的雙界面元件來模擬一個衍射光束分束器元件。表面輪廓是由離散高度采樣定義的。因此，我們將使用采樣界面來進行模擬。
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衍射光束分束器的表面輪廓
2.設計步驟
1)點擊Start→Diffractive Optics→Regular Array Beam Splitter以進入規則分束器設計會話編輯界面。
2)點擊Next，設置輸入光束參數，選擇束腰和發散角定義類型為1/e2 Waist Diameter, Divergence Full Angle，先設置波長為532nm，后期對光源參數進行更改，腰束直徑為200um。
展開 
ZEMAX | 利用RCWA方法模擬表面浮雕光柵的衍射效率
本文介紹了OpticStudio 20.1中添加的兩個動態鏈接庫 ( Dynamic Link Library,DLL ) 文件，兩者都是用來模擬表面浮雕光柵的衍射DLL。這兩個稱為“ rg_step_RCWA.dll ”和“ srg_trapezoid_RCWA.dll ”的DLL建立了階梯光柵和梯形光柵模型。
本文將首先介紹DLL中使用的方法，然后介紹DLL中的參數，最后展示兩個示例。
這些功能只能在OpticStudio的高級訂閱版本中使用。
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簡介
表面浮雕光柵 (SRG) 廣泛應用于各種傳統光學系統，如光譜儀、分束器、三維掃描系統、衍射透鏡和脈沖放大系統等。近年來，表面浮雕光柵在平視顯示器 (HUD) 、增強現實 (AR)、虛擬現實 (VR) 頭戴顯示器 (HMD) 等現代設備中得到廣泛應用。它們能夠以任意角度衍射光線，綜合其波長和角度選擇性，使得光學系統比傳統設計更緊湊、更輕，而傳統設計通常需要使用棱鏡和自由曲面來達到同樣的性能，會導致系統更復雜，體積更龐大。
OpticStudio一直可以模擬光柵，但沒有考慮衍射效率。為了準確地反映衍射光線的衍射效率和偏振態，就必須在模擬時考慮光柵的微觀結構等特性。
本文將討論兩個用來模擬梯形和階梯光柵的DLL。
表面浮雕光柵與體全息光柵
在介紹這個模型之前，先簡要解釋表面浮雕光柵和體全息光柵 (VHG) 之間的區別。這兩種光柵在光學系統中的作用幾乎相同，但在制作和仿真方面卻有很大的不同。
圖1. (a)表面浮雕光柵折射率分布均勻，但表面微觀結構具有周期性。(b)體全息光柵具有周期性變化的折射率分布，但表面光滑。
展開 技巧-Ansys Lumerical 衍射光柵仿真實例
翻譯：慧和聚成 - 徐麗敏
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來源：Original Ansys Lumerical Ansys 光電大本營
Ansys Lumerical | 衍射光柵 （DGTD）
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本文展示的是分析衍射光柵在正常入射時對寬帶平面波的響應的過程。Lumerical 為 DGTD 求解器提供了一套光柵腳本，使計算光柵階數、衍射角和不同波長下的光柵效率等常見結果變得簡單易行。
概述
本例中的衍射光柵是平面上的半橢球體的二維陣列。寬帶（0.85-1μm）平面波通常入射到基板的表面光柵上，導致透射和反射區域產生多個衍射階數。一個名為 gratingprojection 的腳本命令返回光柵的一般表征所需的全部結果列表：
光柵階數數量
每個光柵階數的光柵效率
每個光柵階數的方向余弦（相當于遠場半球中的 theta 和 phi 值）
上述結果作為波長的函數返回，可以直接用于您的光柵設計或進一步處理以產生您感興趣的品質因數。
運行和結果
1.打開并運行模擬文件 （diffraction_grating_DGTD.ldev）。
2.打開并運行腳本文件 （diffraction_grating_DGTD.lsf）。
光柵階數與波長的關系
下圖顯示了光柵支持的波長透射/反射階數。可以注意到，
光柵在較短的波長下支持更多的衍射階數。
反射顯示的數字光柵階數大于透射。這是因為基板的折射率（1.45）大于空氣的折射率，這意味著基板中的有效波長較短。這與上述觀察結果一致。
透射和反射都顯示光柵階數在0.9 um處突然變化，低于該值時開始出現新的光柵階數。
展開 Ansys Zemax | 設計衍射光學元件（DOE）和超透鏡（metalens）
這個例子表明，這種類型的結構只能用 POP 進行模擬。
圖4 菲涅爾波帶片圖像平面上的 POP 結果
請注意，POP 是基于標量衍射理論的，所以它不適合于光柵常數通常為亞波長量級的 metalens。
2. 相位面
等效相位面是一種被廣泛采用的 DOE 設計方法。它的一大優勢是可以自然地與光線追跡引擎一起工作，從而利用 OpticStudio 中的大多數工具。缺點是，在根據給定的相位面計算得出微結構后，我們目前還沒有辦法在 OpticStudio 中考慮衍射效率。相位面提供了足夠的信息來計算光線衍射到哪里。然而，并沒有關于衍射光線應包含的能量信息。為了獲取這個能量信息，我們需要其他工具來計算衍射效率。
圖5顯示了一個人工晶狀體上的衍射表面如何將光線衍射的例子。通過相位圖，我們很容易知道每個階次的衍射光線的方向。在圖3中，繪制了來自衍射-1（紅色）階、0（藍色）階和+1（綠色）階的光線。目前，每個衍射階數的衍射效率無法計算。換句話說，我們有可能知道每個衍射階數的光斑是什么樣子的，但是這些階數的能量分布仍然是未知的。
圖5 這是一個衍射人工晶狀體設計的例子。衍射表面是由 Binary2 表面表征的。布局中的光線是由 DOE 衍射的。畫出了-1（紅色）、0（藍色）和+1（綠色）階的光線路徑。請注意，還有更多階沒有畫出來。
在這一節中，討論相位面的確定，用相位面進行光線追跡，以及如何推導出微結構。
2.1 獲取相位分布
以下是在許多 metalens 論文中常見的表征相位面的方程式：
然而，這個公式只適用于小視場（FOV）。對于大的 FOV，最佳的相位分布需要在幾個視場角和波長之間進行折衷考量。
展開 Ansys Zemax | 使用點擴散函數的衍射極限成像系統的分辨率
圖像模擬的源位圖設置如圖10所示。
圖 10 - 源位圖的圖像模擬設置。視場高度為100 um（鏡頭單位為0.1 mm），輸入圖像以同軸視場為中心 。
視場高為100 um。對于這種方法，我們還將分析重點放在軸上場上，但也可以在不同的場位置進行相同的分析，我使用當前系統編輯器中定義的波長1到3的組合。
PSF 網格設置如圖11所示。
圖 11 - 左圖：圖像模擬功能的卷積網格設置。由于進行分析的區域受限，因此它在軸上使用單個 PSF。采樣設置的選擇與惠更斯 PSF 方法相同。像差設置為衍射。右圖：生成的 PSF 網格，如圖像模擬功能所示。
使用與惠更斯 PSF 方法相同的采樣設置，并在軸上使用單個 PSF。這樣做是因為視場高度為100um，這對應于我不希望 PSF 不會隨著視場的一小部分改變發生太大的變化。圖像模擬的結果如圖12所示，默認探測器器和顯示設置（全為零），計算這些結果可能需要幾分鐘時間。
圖 12 - 使用默認探測器和顯示設置（全為零）的圖像模擬結果。第一行描繪了穿過兩個 PSF 的中心線的強度分布，第二行是 (A) 3.25、(B) 2.3 和 (C) 1.8 um 場之間的圖像模擬輸出。 由于顯微鏡的光學特性（負放大率），圖像被反轉。
從圖 12 (C) 中，可以觀察到1.8 um 的間隔（瑞利準則）下兩個PSF可區分。強度有大約15%的小幅度下降，可用于使用閾值對圖像進行后處理。場之間的距離越大，分離效果越好。與使用多重結構的 PSF 相干總和的惠更斯 PSF方法相比，結果在 PSF 的可分辨性方面更好。但是，我們還沒有考慮探測器的物理尺寸。
展開 Ansys Lumerical | 各向異性材料的衍射光柵
我們通過調節液晶分子的厚度和取向，可以在特定波長下實現第一級衍射效率達到100%，從而消除零級衍射。
在這個工作流程中，我們將使用Ansys Lumerical構建光柵模型并使用RCWA求解器模擬其響應特性。該光柵由長軸取向在XY平面內的液晶分子構成，這種結構提供了面內各向異性特性。我們需要通過在液晶取向上引入周期性空間變化來設計光柵；然后，將衍射特性導出為Lumerical亞波長模型(LSWM) JSON格式，以便在Zemax中進行系統級仿真建模。
注意：RCWA對面內各向異性的支持需要使用Ansys Lumerical 2024R1.3或更高版本。
概述
本例中的衍射光柵由單層液晶(5CB)構成。我們可以通過在XY平面內對液晶分子長軸的取向施加周期性空間變化來構建光柵結構。通過適當設計具有擺線衍射圖案的光柵，可以消除零級衍射并將光完全分配到第一級衍射。
本文分為以下三個主要步驟：
第1步：設計具有擺線導向圖案(cycloidal director pattern)的光柵
在本節中，我們將介紹如何使用Ansys Lumerical來設置一個液晶單元，其中液晶長軸的取向會隨空間位置發生變化。
第2步：具有面內各向異性的RCWA仿真
使用RCWA求解器來計算不同級次的衍射效率。通過調節厚度參數，我們可以在目標波長處消除零級衍射。
第3步：將光柵特性導出到Zemax
運行和結果
第1步：設計具有旋輪線導向器圖案的光柵
1.首先打開文件lc_grating_RCWA.fsp
2.在對象樹(object tree)中右鍵點擊模型并檢查設置
在變量選項卡中，您可以找到系統的主要參數設置。這些參數包括仿真的波長范圍、液晶單元的厚度和材料，以及光柵周期。
展開 Ansys Zemax | 使用點擴散函數的衍射極限成像系統的分辨率
圖 14 - 考慮顯微鏡探測器物理尺寸的圖像模擬結果。即使在物平面中3.25 um的分離也不能分離 PSF。6.25um的橫向間距使點對可區分。
緊密定位的點之間的分離不再可能，并且可以觀察到，嚴格使用 Nyquist-Shanon 采樣定理來確定像素限制分辨率通常是不夠的。我們可能很幸運找到了圖8的結果，而這些結果可能會出現混疊。在物平面中，點對之間的橫向間隔為6.25 um（圖 9），這使得這些場對之間的間隔干凈利落。因此，我假設分辨率在3.25和6.25um之間。進一步的分析表明，5.125um的間隔可使物點的視覺、定性分離，如圖15所示。
圖 15 - 物平面中相距5.125um的一對點的圖像模擬結果。兩個較亮的像素似乎在強度上是可區分的。
再次強調，分辨率是一個隨意的標準，最好從后處理需求的角度來定義它，但我希望說清楚設計的那些方面有助于分辨率，并且需要有一個明確的定義以確保對設計性能的正確評估，這也將有助于進行后續測試。再次強調，我沒有討論公差，這將進一步降低實際顯微鏡的性能。
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Ansys Zemax | 如何使用 Binary2 面型設計衍射光學元件
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概述
這篇文章介紹了如何在 OpticStudio 中建立衍射光學表面以及如何使用 Binary2（二元面2）模擬衍射光學元件。本文使用的示例文件請聯系工作人員下載。
Binary2 面型
Zemax LLC 感謝 Optics1 公司的 Robert E.Fischer 先生授權使用其著作《Optical System Design》中的圖表。
在 OpticStudio 中，許多表面除了可以定義折射光焦度以外，還可以定義衍射光焦度。衍射光焦度與材料折射率和表面矢高無關，但可以改變光的相位。有關建立衍射光學表面的詳細信息，見文章“OpticStudio 建模衍射光學表面”。
Binary2 中的衍射光焦度會在光學表面的截面上引入連續的相位變化：
其中系數 Ai 的單位為弧度。
由于相位變化在表面的截面上是連續的，因此 Binary2 面型模擬的是一個理想的二元衍射元件，其二元面的臺階尺寸趨近于無窮小或小于光的波長。
通常來講，Binary2 面型模擬衍射光學元件的環形衍射區 ( Diffraction Zones) 的尺寸與該區域到表面頂點的徑向距離有關，如下圖所示。OpticStudio 可以自動計算每個環形衍射區的徑向坐標使相鄰區域的相位差為 2π。
Binary2 面型在固定徑向坐標處所引入的附加相位與波長無關。與波長相關的光程由下式給出：
下圖布局圖所示為 Binary2 的色差：
Binary2 消色差單透鏡
Binary2 面型經常用來矯正色差。在一個簡單的單透鏡中，長波長光的焦距相比短波長的光更長，如下圖（a）。
展開 VirtualLab Fusion：模擬由衍射光束整形器和非球面透鏡組成的非近軸光束整形系統
MO.001（1.3）
作者：Michael Kuhn （LightTrans）
相關案例：23.01
相關教程：-
需求：VirtualLab Fusion-基本工具箱
許可證：CC-BY-SA 3.0
1.建模任務
? 偏振：x方向的線性偏振
? 激光直徑（1/e2）：3.26mm
? 波長：632.8nm
衍射光束整形器元件傳輸
像素大小：21.5×21.5um
像素：250×250
直徑：5.4×5.4mm
相位級次：4
2.光路圖
開始光學系統仿真
3.系統仿真
? 目標屏上的強度
? 效率：72%
? 均勻性誤差：3.7%
4.結論
? 可以仿真近軸和非近軸透鏡以及透鏡系統。
? 已存儲的傳輸函數允許將任意振幅和相位調節引入到光波。
? 允許仿真衍射光學元件產生的效應。
展開 Ansys Zemax | 用戶自定義表面真實建模衍射式人工晶狀體透鏡
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展開 Ansys Zemax | 如何在OpticStudio中設計衍射光學元件（DOE）和超透鏡（metalens）
這個例子表明，這種類型的結構只能用POP進行模擬。
圖4 菲涅爾波帶片圖像平面上的POP結果
請注意，POP是基于標量衍射理論的，所以它不適合于光柵常數通常為亞波長量級的metalens。
2. 相位面
等效相位面是一種被廣泛采用的DOE設計方法。它的一大優勢是可以自然地與光線追跡引擎一起工作，從而利用OpticStudio中的大多數工具。缺點是，在根據給定的相位面計算得出微結構后，我們目前還沒有辦法在OpticStudio中考慮衍射效率。相位面提供了足夠的信息來計算光線衍射到哪里。然而，并沒有關于衍射光線應包含的能量信息。為了獲取這個能量信息，我們需要其他工具來計算衍射效率。
圖5顯示了一個人工晶狀體上的衍射表面如何將光線衍射的例子。通過相位圖，我們很容易知道每個階次的衍射光線的方向。在圖3中，繪制了來自衍射-1（紅色）階、0（藍色）階和+1（綠色）階的光線。目前，每個衍射階數的衍射效率無法計算。換句話說，我們有可能知道每個衍射階數的光斑是什么樣子的，但是這些階數的能量分布仍然是未知的。
圖5 這是一個衍射人工晶狀體設計的例子。衍射表面是由Binary2表面表征的。布局中的光線是由DOE衍射的。畫出了-1（紅色）、0（藍色）和+1（綠色）階的光線路徑。請注意，還有更多階沒有畫出來。
在這一節中，討論相位面的確定，用相位面進行光線追跡，以及如何推導出微結構。
2.1 獲取相位分布
以下是在許多metalens論文中常見的表征相位面的方程式：
然而，這個公式只適用于小視場（FOV）。對于大的FOV，最佳的相位分布需要在幾個視場角和波長之間進行折衷考量。
參考文獻[1]中有一節也解釋了在OpticStudio中設計相位面的概念。請注意，如果它是離軸設計，相位分布也可以是不對稱的[2]。
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