衍射透鏡性能仿真的案例
VirtualLab Fusion鏡頭設計及衍射分析案例—柱透鏡仿真
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。
展開 平面透鏡|從光滑表面到菲涅爾、衍射和超透鏡的演變
根據指定的功能透鏡進行平面透鏡的結構設計。
2. 評估平面透鏡的性能。
3. 收集并導出透鏡數據以滿足制造需求。
工作流程 #2：
1. 用平面透鏡替換“厚”透鏡表面。
2. 評估包含平面透鏡的系統的功能。
3. 促進系統優化。
將平面透鏡集成到透鏡設計工作流程中，需要在理論基礎和光學軟件的實現方面取得重大進展。在不同軟件產品之間引入數據接口并不能提供所需的解決方案。
在光學軟件的進步中，必須實現三個基本目標：
1. 開發高效且用戶友好的平面透鏡設計算法。
2. 能夠以足夠的精度和速度模擬包含平面透鏡的透鏡系統。
3. 促進包含平面透鏡的光學系統的優化。
在LightTrans，我們致力于增強我們軟件VirtualLab Fusion的平面透鏡功能，以在2025年之前實現這些目標。本文集中討論第一個目標。有關所有目標的全面探討，請參閱我們關于超透鏡的論文[6]。
......
鑒于篇幅，全文內容請閱讀原文下載文檔。
展開 平面透鏡|從光滑表面到菲涅爾、衍射和超透鏡的演變
根據指定的功能透鏡進行平面透鏡的結構設計。
2. 評估平面透鏡的性能。
3. 收集并導出透鏡數據以滿足制造需求。
工作流程 #2：
1. 用平面透鏡替換“厚”透鏡表面。
2. 評估包含平面透鏡的系統的功能。
3. 促進系統優化。
將平面透鏡集成到透鏡設計工作流程中，需要在理論基礎和光學軟件的實現方面取得重大進展。在不同軟件產品之間引入數據接口并不能提供所需的解決方案。
在光學軟件的進步中，必須實現三個基本目標：
1. 開發高效且用戶友好的平面透鏡設計算法。
2. 能夠以足夠的精度和速度模擬包含平面透鏡的透鏡系統。
3. 促進包含平面透鏡的光學系統的優化。
在LightTrans，我們致力于增強我們軟件VirtualLab Fusion的平面透鏡功能，以在2025年之前實現這些目標。本文集中討論第一個目標。有關所有目標的全面探討，請參閱我們關于超透鏡的論文[6]。
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展開 衍射透鏡元件
如今，衍射透鏡在現代光學的各種應用中得到廣泛的使用。微結構表面被用來取代笨重的光學元件，與傳統鏡頭相比，得益于尺寸和重量的減小。在快速物理光學軟件VirtualLab Fusion中，這些結構既可以以理想化的形式建模，具有預定義的階次和效率，也可以更現實地建模，包括對實際微觀結構表面的精確分析。本文介紹了VirtualLab Fusion的衍射透鏡組件、可用的選項和應用的建模方法。
實衍射透鏡的參數設置
4. 理想光柵函數是由衍射階數、各階次衍射和衍射透鏡的波前相位響應決定的。它的工作不提供關于透鏡(理想衍射透鏡)的實際形狀的信息。
更多的信息：
Local Linear Grating Approximation (LLGA) Idealized Grating Functions
3. 用理想光柵函數建模了LPW與局部線性光柵的相互作用。
2.
每個LPW看到的曲面部分被認為是一個線性光柵(局部)。
1.
曲面上的輸入場被看作是局部平面波(LPWs)的組成。
采用帶理想光柵函數的局部線性光柵近似法（LLGA）計算衍射透鏡的理想曲面。具體步驟如下:
展開 
眼內衍射透鏡
眼內衍射透鏡的設計與分析
衍射光學已成為多領域不可或缺的技術之一，尤其在當今醫療領域的應用。眼內衍射透鏡就是一個典型的應用實例，其植入眼內以治療白內障或近視。衍射透鏡與原始人眼結構一起，構成了一個混合透鏡系統。利用VirtualLab Fusion，我們展示了如何建模和設計這類系統，具體示范了如何支持從ZemaxOpticStudio?導入Binary 2曲面的工作流程。
VirtualLab：醫用衍射透鏡
混合透鏡結合了經典折射元件和衍射結構的優點，因此在不同光學應用中成為一種很有前景的方法，例如用于治療白內障的人工晶狀體植入。特別是，折射率和衍射表面的相反色散符號使色差的校正成為可能。
為了精確地建模和設計這種混合元件，有必要通過系統對衍射效應進行深入分析。這包括評估實際結構的衍射效率與點擴散函數(PSF)的快速精確計算相結合。VirtualLab Fusion在單一平臺上高度靈活的可互操作建模技術方法是實現經典透鏡精確快速建模和衍射透鏡不同級次衍射效率計算的關鍵。
為了說明該軟件在這方面的能力，在實例中分析了所設計混合透鏡的近場和遠場視圖。此外，為了進一步優化光學函數，還研究了改變二元元件高度對衍射效率的影響。為了評估產生的PSF類似于人眼的感知，使用了光度量，如光照度和光通量，這可以很容易在VirtualLab靈活探測器概念的幫助下設定。
眼內衍射透鏡的設計與分析
我們展示了如何從Zemax OpticStudio?導入一個眼內衍射透鏡設計到VirtualLab Fusion中，用實際的二元結構對其進行建模，并優化結構高度以獲得更好的性能。
通用探測器
本用例介紹了通用探測器，它允許在VirtualLab Fusion中評估和輸出電磁場的任何信息。此外，通過使用非常靈活的內置或定制附加組件，它可以進一步評估入射光的信息，以計算任何物理量，例如輻射度量或光度量。
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展開 衍射透鏡的設計和分析
? 衍射透鏡后的相位分布，相位差為π。
2) 點擴散函數（PSF）
對于平面波入射，焦平面上的光分布即是PSF。當增加光視圖的亮度后，可以看到由于離散高度級次和像素導致的雜散光和高階sinc級次。
3) 調制傳遞函數（MTF）
使用調制傳遞函數探測器可以進行MTF的計算。
6. 結論
? 本例演示了如何將一個折射透鏡轉換成一個焦距相同的二元衍射透鏡；
? 計算了衍射透鏡的PSF和MTF；
? 由于離散高度級次產生的雜散光和高階sinc級次。
[NEWSLETTER] VirtualLab：醫用衍射透鏡
混合透鏡結合了經典折射元件和衍射結構的優點，因此在不同光學應用中成為一種很有前景的方法，例如用于治療白內障的人工晶狀體植入。特別是，折射率和衍射表面的相反色散符號使色差的校正成為可能。
為了精確地建模和設計這種混合元件，有必要通過系統對衍射效應進行深入分析。這包括評估實際結構的衍射效率與點擴散函數(PSF)的快速精確計算相結合。VirtualLab Fusion在單一平臺上高度靈活的可互操作建模技術方法是實現經典透鏡精確快速建模和衍射透鏡不同級次衍射效率計算的關鍵。
為了說明該軟件在這方面的能力，在實例中分析了所設計混合透鏡的近場和遠場視圖。此外，為了進一步優化光學函數，還研究了改變二元元件高度對衍射效率的影響。為了評估產生的PSF類似于人眼的感知，使用了光度量，如光照度和光通量，這可以很容易在VirtualLab靈活探測器概念的幫助下設定。
眼內衍射透鏡的設計與分析
我們展示了如何從Zemax OpticStudio?導入一個眼內衍射透鏡設計到VirtualLab Fusion中，用實際的二元結構對其進行建模，并優化結構高度以獲得更好的性能。
通用探測器
本用例介紹了通用探測器，它允許在VirtualLab Fusion中評估和輸出電磁場的任何信息。此外，通過使用非常靈活的內置或定制附加組件，它可以進一步評估入射光的信息，以計算任何物理量，例如輻射度量或光度量。
展開 利用衍射透鏡校正色差
成像系統
任務/系統說明
亮點
?將衍射透鏡納入光學系統；
?考慮了具有特定效率的不同衍射級次；
?對不完全照明孔徑的二維PSF進行計算；
?對離軸二維PSF進行計算；
具體要求：光源
具體要求：透鏡系統
具體要求：衍射透鏡
具體要求：探測器
結果：同軸3D光線追跡
結果：同軸光線追跡
結果：同軸場追跡
結果：離軸10° 3D光線追跡
結果：離軸10° 光線追跡
結果：離軸10° 場追跡
結果：離軸20° 3D光線追跡
結果：離軸20° 光線追跡
結果：離軸20° 場追跡
文件&技術信息
人工衍射透鏡的設計與分析
衍射式人工晶體的優點之一是為患者提供了良好的遠近視力。這樣的鏡頭通常使用如Zemax OpticStudio的Binary 2表面設計。在這個例子中，我們演示了如何將初始設計導入到VirtualLab Fusion中，并考慮用實際二元結構的情況下對透鏡系統建模。通過改變二元結構的高度，進一步研究了衍射透鏡的性能。
衍射透鏡的設計任務
從OpticStudio導入光學系統
遠場：OpticStudio導入的一致性
近場：OpticStudio導入的一致性
結構設計：衍射透鏡剖面高度
結構設計：衍射透鏡剖面高度
? 由于是二元衍射透鏡，選擇了具有2個高度階的量化結構
- 有利于制造(成本低，容易制造)
- 使用高度調制的方法能夠更好地控制效率，特別對于0級和1級。
展開 VirtualLab Fusion：衍射透鏡元件
摘要
如今，衍射透鏡在現代光學的各種應用中得到廣泛的使用。微結構表面被用來取代笨重的光學元件，與傳統鏡頭相比，得益于尺寸和重量的減小。在快速物理光學軟件VirtualLab Fusion中，這些結構既可以以理想化的形式建模，具有預定義的階次和效率，也可以更現實地建模，包括對實際微觀結構表面的精確分析。本文介紹了VirtualLab Fusion的衍射透鏡組件、可用的選項和應用的建模方法。
在哪里可以找到組件?
衍射透鏡組件可以在Components > Single Surface & Stack下找到。
波前相位響應
衍射透鏡組件由單一曲面組成，其透射函數用多項式波前響應來描述。
衍射透鏡引入的波前相位響應在通道運算符（Channel Operator）選項卡中定義。如果衍射透鏡是從Zemax OpticStudio?導入的，數據將自動填寫(模型與Zemax OpticStudio?的Binary 2曲面一致)。
（來自VirtualLab Fusion手冊）
理想衍射透鏡的參數設置
然后，用戶可以在衍射結構建模（Diffractive Structure Model）選項卡中選擇將衍射透鏡模型定義為理想化的或具有真實曲面的，主要區別在于如何計算階次的效率。在理想函數的情況下，所需的衍射級數和它們的效率必須手動定義。
總結:理想衍射透鏡的計算方法
采用帶理想光柵函數的局部線性光柵近似法（LLGA）計算衍射透鏡的理想曲面。具體步驟如下:
1.曲面上的輸入場被看作是局部平面波(LPWs)的組成。
2.每個LPW看到的曲面部分被認為是一個線性光柵(局部)。
3.
展開 
眼內衍射透鏡的設計與分析
如今，多焦點眼內透鏡移植已廣泛用于白內障的治療。作為其優勢特點之一，衍射眼內透鏡為病患提供了很好的遠近景性能。這種透鏡經常在Zemax OpticStudio 中采用binary2面型進行設計。在本示例中，我們闡述了如何將初始設計導入VirtualLab Fusion，并利用實際的二元結構對透鏡系統建模。通過改變二元結構的高度，進一步研究了衍射透鏡的性能。
1. 摘要
[VirtualLab] 人工衍射透鏡的設計與分析
衍射式人工晶體的優點之一是為患者提供了良好的遠近視力。這樣的鏡頭通常使用如Zemax OpticStudio的Binary 2表面設計。在這個例子中，我們演示了如何將初始設計導入到VirtualLab Fusion中，并考慮用實際二元結構的情況下對透鏡系統建模。通過改變二元結構的高度，進一步研究了衍射透鏡的性能。
衍射透鏡的設計任務
從OpticStudio導入光學系統
遠場：OpticStudio導入的一致性
近場：OpticStudio導入的一致性
結構設計：衍射透鏡剖面高度
結構設計：衍射透鏡剖面高度
? 由于是二元衍射透鏡，選擇了具有2個高度階的量化結構
- 有利于制造(成本低，容易制造)
- 使用高度調制的方法能夠更好地控制效率，特別對于0級和1級。
展開 眼內衍射透鏡的設計與分析
多焦點眼內透鏡的優點之一是能為患者提供良好的遠近視力。在本示例中，我們演示了如何將初始設計導入 VirtualLabFusion，并在考慮實際二元結構的情況下對晶狀體系統進行建模。通過改變二元結構的高度，我們進一步研究了衍射透鏡的性能。
5.
探測器
4.
自由空間傳播
3.
眼內衍射透鏡
2.
人眼角膜和瞳孔
1.
光源
光在系統中傳播時會遇到不同的組件并與之相互作用。我們需要一個合適而靈活的模型，在精確度和速度之間為系統中的每一個元素提供良好的折衷：
建模技術的單平臺的交互性
模擬與設置： 單一平臺的交互性
然后，通過Local Linear Grating Approximation（LLGA）對實際衍射透鏡的傳播進行建模。更多信息，請參閱Diffractive Lens Component。
眼內衍射透鏡由 Diffractive Lens 組件建模，該組件允許定義特定的波前相位響應，然后也可以在具有高度輪廓的真實結構中進行轉換。
展開 人工衍射透鏡的設計與分析
衍射式人工晶體的優點之一是為患者提供了良好的遠近視力。這樣的鏡頭通常使用如Zemax OpticStudio的Binary 2表面設計。在這個例子中，我們演示了如何將初始設計導入到VirtualLab Fusion中，并考慮用實際二元結構的情況下對透鏡系統建模。通過改變二元結構的高度，進一步研究了衍射透鏡的性能。
衍射透鏡的設計任務 從OpticStudio導入光學系統
遠場：OpticStudio導入的一致性
近場：OpticStudio導入的一致性
結構設計：衍射透鏡剖面高度
結構設計：衍射透鏡剖面高度
? 由于是二元衍射透鏡，選擇了具有2個高度階的量化結構- 有利于制造(成本低，容易制造)- 使用高度調制的方法能夠更好地控制效率，特別對于0級和1級。 結構設計：高度調制為1.00 結構設計：高度調制為0.95
結構設計：高度調制為0.90
結構設計：尋找最佳比例因子
結構設計：最優高度調制為0.605
從近場到遠場焦斑演化的圖解
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VirtualLab Fusion的工作流程? 從Zemax OpticStudio?導入透鏡系統- 從Zemax導入光學系統 [用例] ? 衍射透鏡的配置? 參數掃描的配置- 參數掃描文件的使用 [用例] VirtualLab Fusion技術
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