圓孔衍射仿真的案例
基于數值仿真討論圓孔的應力集中
非也，其實圓孔附近應力的收斂結論是不會被打破的，造成這種轉折的原因是最大應力已經移位固定邊界的角點上。
這確是個問題，隨著網格變細，左邊線的固定約束帶來了異常。將材料的泊松比縮小100倍，再查看固定約束開圓孔板的收斂性。
改變泊松比，收斂反轉現象不再出現。
不論材料力學，還是彈性力學都建議避免構件的截面尺寸發生突變，盡量采用圓弧過渡，盡量只開圓孔或橢圓孔。開橢圓孔板的應力集中，彈性力學有分析結果，再用有限元法查看一下。
平均應力50MPa，橢圓孔水平放置時，理論上放大2倍，最大為100MPa：
當橢圓孔垂直放置時，理論上放大5倍，最大為250MPa。如果橢圓孔再細長一點，應力計算會越來越難收斂，讀者可自行嘗試：
應力集中是客觀存在的現象，不以人的美好愿望而轉移，但可以去了解它。應力集中問題的有限元仿真需要網格細化，而網格細化的結果當然能準確表征出應力集中現象。如果構件某處存在應力集中，但分析者由于各種原因并不需要關心此處，此時的網格細化則又是畫蛇添足，萬萬不要的。可以搬出圣維南原理來解釋，不管應力集中處的網格多么差勁，距離較遠處的仿真結果并不會受較大的影響。
展開 箱體衍射——頻域仿真和時域仿真
01
—
衍射的頻域仿真
非無限大聲場邊界會產生聲衍射，從而對揚聲器的輻射阻抗產生影響，影響遠場的頻響曲線。
以下是2011年的國標“揚聲器主要性能測試方法”中標準測試箱體的衍射修正曲線。
對不同箱體的衍射效應的定量的描述，很多資料上都有提到。
仿真擬合出無限大障板和實際箱體的響應差異
02
—
衍射的時域仿真
在頻域中應用的有限元方法可以發現衍射效應。但是激勵信號主導聲場，所以分離出衍射的影響是很困難的。
時域仿真可以克服這些問題，實現聲場的及時分離。 本文演示如何使用時域有限元分析來模擬音箱的衍射。
給產品一個單周期高斯脈沖作為激勵
聲場時域響應分布
方形音箱
球形音箱
可以看到方形音箱邊角衍射比球形明顯
其他產品
箱體正前方0.17m處響應曲線
方形音箱
球形音箱
可以看到方形音箱波形不夠完整，幅度相對較大
頻域結果
藍色是激勵信號，綠色是衍射影響
方形音箱
球形音箱
方形音箱受到衍射影響更大
展開 空間光調制器像素處光衍射的仿真
系統細節
? 光源
— 高斯光束
? 組件
— 反射型空間光調制器組件及后續的2f系統
? 探測器
— 視覺感知的仿真
— 電磁場分布
? 建模/設計
— 場追跡：
? 一個SLM像素陣列處光傳播的仿真，仿真中包括了SLM像素間無功能間隔引起的衍射效應。
2. 系統說明
3. 模擬 & 設計結果
4. 總結
考慮SLM像素間隔來研究空間光調制器的性能。
第1步
將像素間隔引入到一個先前設計的用于光束整形的SLM透射函數。
第2步
分析不同區域填充因子的對性能的影響。
產生的衍射效應對SLM的光學功能以及效率具有重大影響。
應用示例詳細內容
系統參數
1. 該應用實例的內容
2. 設計&仿真任務
由于制造和技術的原因，像素之間存在非功能間隔。這種典型的間隔會產生衍射效應，從而影響SLM的光學性能，并在接下來的工作中對其進行研究。
3. 參數：輸入近乎平行的激光束
4. 參數：SLM像素陣列
5. 參數：SLM像素陣列
應用示例詳細內容
仿真&結果
1. VirtualLab能夠模擬具有間隔的SLM
? 由于可以嵌入組件，VirtualLab可以輕松的實現反射系統(如反射鏡，2f系統等)。
? 內置的SLM模式可以實現從簡單透射函數到包含像素和間隔的陣列的自動轉換。
2. VirtualLab的SLM模塊
? 為設置像素陣列，必須輸入像素陣列尺寸和區域填充因子。
? 必須設置所設計的SLM透射函數。
展開 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 
技巧-Ansys Lumerical 衍射光柵仿真實例
翻譯：慧和聚成 - 徐麗敏
相關資料：
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來源：Original Ansys Lumerical Ansys 光電大本營
國產光學軟件突破 | 3D可視化衍射光波導仿真
原文信息
原文標題：“基于光線場追跡的國產3D可視化衍射光波導仿真模塊研究”
第一作者：覃嘉佳
通訊作者：宋強，劉祥彪, 張善文，段輝高，周常河
增強現實（AR）技術作為新興人機交互模式，其近眼顯示領域中，AR 衍射光波導技術因輕量化、小型化等優勢成為核心發展方向。高品質衍射光波導的設計優化離不開專業仿真軟件。為填補國內空白，本研究團隊研發了完全自主可控的 3D 可視化衍射光波導仿真模塊，覆蓋 k 域分析、光波導仿真與優化全過程，可納入微投影光機和人眼模型實現全維度仿真。
研究基于該模塊設計二維出瞳擴展衍射光波導，通過確定光柵矢量、劃分功能區域并精細調控光柵參數，結合光線場追跡完成仿真，并與國外商業軟件結果對比，驗證了模塊的有效性與實用性，為我國 AR 產業自主發展提供技術支撐。
二維出瞳擴展衍射光波導中的光線傳播示意圖（來自原文）
該模塊成功設計出具備二維出瞳擴展的衍射光波導，整體系統由微型投影光機、光波導與人眼模型構成，結構設計極具優勢。其投影光學系統焦距 14.5 mm，對角線視場角 28°，總長度僅 9.45 mm，光學元件直徑小于 5.4 mm，憑借緊湊小巧的特性，完美適配近眼顯示設備的輕量化需求。在性能表現上，該系統在 30 cycles/mm 采樣頻率下的光學調制傳遞函數（MTF）值均優于 0.7，成像質量穩定可靠。
可視化3D衍射光波導模組示意圖（來自原文）
為驗證模塊性能，研發團隊與市面主流商業軟件，在衍射效率、均勻性及光線路徑等關鍵指標上展開對比，結果充分證明了該國產模塊的精度與可靠性。
展開 Zemax Lumerical Speos 聯合實現衍射光波導AR系統設計仿真
2.光柵可以將光衍射成具有特定不同方向的幾束光束。為了探究光柵對光傳播的影響，可以使用交互式模擬，使光線從光源通過光學系統的傳播可視化。
3.可以通過照度傳感器收集射線并分析均勻性，傳感器允許計算光的輻照度(W/m2)或照度(Lux)。通過模擬結果，可以在波導的輸出耦合區域探索來自520nm均勻顯示源的輻照度。模擬完成后，雙擊XMP打開輻照度圖，并檢查均勻性。模擬計算選擇LXP，打開得到的lpf文件，通過measure功能，能供追跡光源到探測器的光線轉播路徑。
4.使用亮度探測器，以display光源入射系統評估最終特定視場下的亮度結果，收集系統的亮度信息，使用inverse仿真計算，打開XMP結果，系統顯示圖像信息內容。當然在仿真過程中，Speos支持加入場景環境光，使得系統的環境信息和顯示信息全部疊加到用戶的視野上。另外在人眼視覺條件下，激活人眼視覺參數可以模擬人眼的空間適應性，調節人眼參數實現不同的人眼視覺結果，在可讀可視性分析中，可以分析場景環境下目標信息的可識別性。
5.如果選擇observer 探測器，允許定義多角度的仿真模擬，將會得到Speos 360結果，可以動態多點查看系統的人眼視覺效果。
結論
在本例中使用1-D光柵用于衍射光學元件，為了使模式進一步發展，用戶可以用自己的1-D甚至2-D光柵代替光柵，在一個或兩個方向上衍射光。
展開 三角孔徑衍射誤差難分析？OAS 軟件深度仿真解難題
將仿真數據與基爾霍夫衍射公式理論計算結果對比，光強誤差小于 3%，光斑尺寸誤差小于 2%，驗證了 OAS 仿真的準確性與可靠性。此外，軟件支持衍射圖樣灰度分析、局部區域放大等功能，可進一步提取光斑均勻性、能量集中度等關鍵參數。
三角孔徑衍射的三維追跡圖
三角孔徑衍射的探測器結果圖
總結
本案例通過 OAS 軟件高效實現了三角孔徑衍射的仿真，相比傳統物理實驗，成本降低 60% 以上，研發周期縮短 50%。該方案可直接應用于三角孔光闌設計、激光加工衍射效應預判、光學檢測系統誤差分析等場景，為科研人員與工程師提供可靠的仿真工具。綜上，OAS 軟件憑借靈活的自定義建模能力、精準的衍射計算算法及便捷的操作流程，在非規則孔徑光學特性研究中展現出顯著優勢。
展開 VirtualLab運用：仿真一個空間光調制器像素點處光的衍射
光束整形＞衍射光學
任務/系統說明
亮點
?使用空間光調制器（SLM）模擬光束整形
?研究SLM像素間非功能性間距的影響
說明：光源
說明：SLM像素陣列
說明：傅立葉透鏡
說明：探測器
結果：3D系統視圖
結果：SLM近場區域
結果：SLM的遠場區域
結果：SLM遠場區域
文件&技術信息
Zemax Lumerical Speos | 聯合實現衍射光波導AR系統設計仿真
當然在仿真過程中，Speos支持加入場景環境光，使得系統的環境信息和顯示信息全部疊加到用戶的視野上。另外在人眼視覺條件下，激活人眼視覺參數可以模擬人眼的空間適應性，調節人眼參數實現不同的人眼視覺結果，在可讀可視性分析中，可以分析場景環境下目標信息的可識別性。
5.如果選擇observer 探測器，允許定義多角度的仿真模擬，將會得到Speos 360結果，可以動態多點查看系統的人眼視覺效果。
結論
在本例中使用1-D光柵用于衍射光學元件，為了使模式進一步發展，用戶可以用自己的1-D甚至2-D光柵代替光柵，在一個或兩個方向上衍射光。此外，為了設置景深考慮眼睛的真實感知，可以將Radiance亮度傳感器替換為Human eye人眼傳感器，然后進行進一步優化以調整性能。
展開 [VirtualLab論文] VirtualLab Fusion仿真精密玻璃模壓成型所造成的衍射條紋
[圖片]
Speos案例 | 基于Speos的衍射波導AR風擋HUD系統仿真解決方案
相較于傳統反射鏡式AR HUD，衍射波導型AR HUD憑借體積小巧、集成性強、適配各類車載座艙狹小空間的優勢，成為行業主流發展方向。衍射波導AR HUD融合納米級光柵微結構與宏觀投影鏡頭系統，光學鏈路復雜，傳統單一仿真軟件難以實現全鏈路性能校驗。Ansys光學仿真套件構建了Zemax OpticStudio+Lumerical +Speos一體化設計仿工作流，覆蓋投影鏡頭設計、亞波長光柵建模、系統級光學集成分析全流程。
其中Ansys Speos作為系統級仿真核心工具，可實現多軟件數據無縫對接、三維環境光學仿真、人眼視覺感知評估，為車載AR HUD光學性能優化、成像質量校驗、雜散光抑制提供專業仿真支撐。本文基于Ansys官方衍射波導AR風擋HUD仿真案例，全面解析Speos在AR HUD研發中的應用價值、仿真流程、核心參數及結果分析，為車載光學行業研發人員提供參考。
衍射波導AR HUD技術優勢與仿真痛點
1.1 技術核心優勢
AR HUD可將車速、導航、路況等行車信息直接投射至駕駛員視野區域，實現視線不離路的安全駕駛輔助。衍射波導架構摒棄傳統大體積反射鏡模組，利用表面浮雕光柵（SRG）與光波導全反射原理完成光信號傳輸，核心優勢如下：
結構微型化：整體體積遠小于傳統反射鏡方案，易于嵌入儀表臺狹小空間；
成像畫質優：可精準控制光路傳播，適配大視場、高清晰度成像需求；
適配性廣泛：兼容各類車型風擋曲面結構，滿足不同座艙布局設計要求。
展開 Zemax與Lumerical實現衍射光波導形式HUD設計與仿真【8月20日直播】
而基于衍射光波導的AR-HUD方案，可以憑借其平板光波導超薄的結構和二維擴瞳能力，極大減小對光機體積的需求，這也是未來HUD發展的重要方向。
衍射光波導可以改變光信息傳播的方向和能量，進而引導光信息從波導內部傳輸到人眼，其核心和難點在于出瞳處均勻的復制N次入射光瞳，使出瞳面積/出光面積大幅度增大。這種設計極大的優化了系統結構，使得AR光學成像系統體積急劇縮小，引起產業矚目。
基于此，Ansys將于8月20日推出「衍射光波導的HUD聯合工作流」主題網絡研討會。本次研討會將討論如何通過Ansys光學產品進行HUD的設計和仿真，并重點介紹如何結合 Ansys Zemax與Lumerical的動態連接工作流程進行衍射光波導系統的設計與優化，助力AR-HUD的產品研發，加速上市流程。
時間：8月20日，16:00-17:00
講師簡介：
周錚 | Ansys高級應用工程師
畢業于華中科技大學和巴黎十一大光電信息專業，于2019年加入Ansys，主要負責Ansys Lumerical的業務開發與技術咨詢工作。
胡皓勝 | Ansys高級應用工程師
畢業于亞利桑那大學光學院，具有豐富 Zemax 官方培訓授課經驗以及全球范圍技術支持經驗。
形式：線上
費用：免費
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技術鄰簡介:
技術鄰專注于工科技術社區，從最早的CAE技術社區（中國CAE聯盟）發展而來，在CAE領域有20年的教學和咨詢服務經驗。
仿真服務、Ansys光學仿真系列往期免費錄播領取，更多資料，掃碼添加技術鄰客服詳細咨詢~
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工信部CAE應用工程師認證!
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圓孔衍射案例分析
簡介
圓孔衍射是光學領域中典型的物理光學現象，其條紋分布特征直接影響光學成像系統的分辨率、光束傳輸質量等核心性能，在天文觀測、顯微鏡成像、激光雷達等諸多工程領域具有重要應用價值。本項目旨在通過 OAS 光學仿真軟件，構建精準的圓孔衍射模型，實現衍射現象的可視化呈現與關鍵參數的定量分析，為相關光學系統設計與優化提供高效的仿真支撐。
案例設置與操作
光源設置
選用單色點光源作為入射光源，設定波長為 632.8nm（氦氖激光典型波長），光源發散角控制在 0.01rad 以內，確保入射光束近似平行光，符合理想衍射實驗的光源條件，避免雜散光對仿真結果的干擾。
模型搭建
在光源與探測器之間構建圓形遮光孔徑組件，核心參數設置如下：半孔徑尺寸為 21mm，對應孔徑直徑 42mm；孔徑比例（開孔區域與遮光區域面積比）設定為 0.5，采用不透明光學遮光材料，確保僅中心指定區域允許光線透過，精準復現圓孔衍射的物理邊界條件。
探測器設置
選用面陣 CCD 探測器，像素尺寸設定為 10μm×10μm，探測面陣規模為 1024×1024 像素，探測距離根據幾何光學關系設定為 1.5m，確保完整捕捉衍射條紋的分布范圍，同時滿足定量測量的精度需求。
圓孔衍射的三維追跡圖
圓孔衍射的探測器結果圖
總結
本案例通過 OAS 光學軟件實現了圓孔衍射現象的精準仿真，不僅規避了傳統實驗的局限性，還具備參數可靈活調整、物理過程可視化、結果可定量分析等優勢。該仿真方法可廣泛應用于光學系統設計初期的性能預判，幫助工程師優化孔徑結構參數以降低衍射效應的不利影響。
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