場(chǎng)追跡
關(guān)注創(chuàng)建者：匿名 創(chuàng)建時(shí)間：2025-12-03
場(chǎng)追跡的實(shí)例教程
摘要
VirtualLab不僅能夠進(jìn)行光線追跡，也可以執(zhí)行場(chǎng)追跡。各種數(shù)值參數(shù)的規(guī)定可以對(duì)數(shù)值模擬進(jìn)行控制。在VirtualLab中，這通常由精度因子的規(guī)范來(lái)處理。本示例闡述了如何使用提供的精度因子來(lái)控制VirtualLab中的光線追跡和場(chǎng)追蹤引擎，并重點(diǎn)放在非序列仿真的設(shè)置上。
仿真設(shè)置概覽
以下將更詳細(xì)地解釋模擬設(shè)置：
總精度(第二代場(chǎng)追跡)
1 采樣精度
2 傅里葉變換精度
非序列光線/場(chǎng)追跡
3 能量閾值
4 最大級(jí)
5 通道分辨率精度
6 僅顯示在3D視圖中入射探測(cè)器的路徑
1. 采樣精度
? 采樣精度是一個(gè)用于在追跡期間控制光場(chǎng)信息準(zhǔn)確性的參數(shù)。
? 可以通過(guò)增加采樣精度因子來(lái)克服出現(xiàn)的意外人為現(xiàn)象。
2. 傅里葉變換精度
? 在VirtualLab中有幾個(gè)傅立葉變換算法。
? 根據(jù)場(chǎng)是位于其衍射區(qū)域還是幾何區(qū)域自動(dòng)選擇。
? 小的傅里葉變換精確度（例如0.01）迫使全局使用幾何傅里葉變換，其特點(diǎn)在于比衍射變換快得多。
? 另外，每個(gè)探測(cè)器都可以單獨(dú)強(qiáng)制使用幾何傅里葉變換。
? 可以通過(guò)在相應(yīng)檢測(cè)器的編輯對(duì)話框中激活“檢測(cè)器參數(shù)”選項(xiàng)卡下的“假設(shè)幾何場(chǎng)區(qū)域用于檢測(cè)器評(píng)估”復(fù)選框來(lái)選擇此項(xiàng)。
3. 能量閾值(非序列光線\光場(chǎng)追跡)
? 能量閾值是非序列追跡引擎的停止標(biāo)準(zhǔn)。
? 對(duì)于光能低于能量閾值的每一個(gè) 非序列光路，沿著路徑的光追跡將不做處理。
能量閾值：方案說(shuō)明
? 遇到玻璃板時(shí)透射和反射光能的示例性說(shuō)明。
? 在剩余能量達(dá)到可以忽略的水平之前，通常不需要很多反射。
? 在全反射的情況下，當(dāng)然應(yīng)該考慮許多相互作用。
? 下面顯示了能量閾值影響的一個(gè)例子。
展開 ? 首先，利用光線追跡引擎對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行不包含衍射的分析；
? 然后，使用場(chǎng)追跡引擎對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析，其中包含的衍射通常是自動(dòng)包含的，但是可以通過(guò)不同的用戶設(shè)置來(lái)控制。
4. 光線追跡系統(tǒng)分析
? 光線追跡系統(tǒng)分析器
- 通常開始使用光線追跡系統(tǒng)分析器（Ray
- Tracing System Analyzer）分析您的系統(tǒng)。
? 用于演示工作流程的原理設(shè)置包括
- 球面波，默認(rèn)設(shè)置，但距離輸入平面（Distance to Input Plane）10毫米；
- 矩形孔徑，矩形孔徑（Rectangular Aperture）為1mm×1mm；
- 相機(jī)探測(cè)器默認(rèn)設(shè)置。
? 光線追跡引擎
- 接下來(lái)，應(yīng)該使用光線追跡引擎檢查探測(cè)器的輸出，而不包含任何衍射效應(yīng)。
5. 場(chǎng)追跡系統(tǒng)分析
? 第2代場(chǎng)追跡
- 現(xiàn)在，該系統(tǒng)可以在不包含衍射的情況下通過(guò)場(chǎng)追跡進(jìn)行分析。
- 這必須在檢測(cè)器設(shè)置中通過(guò)激活復(fù)選框來(lái)設(shè)置，假設(shè)檢測(cè)器評(píng)估的幾何場(chǎng)區(qū)域。
-因此，探測(cè)器上的強(qiáng)度圖沒有顯示出任何衍射效應(yīng)。
? 第2代場(chǎng)追跡
- 現(xiàn)在，該系統(tǒng)可以在包含衍射的情況下通過(guò)場(chǎng)追跡進(jìn)行分析。
- 這必須在檢測(cè)器設(shè)置中通過(guò)不激活復(fù)選框來(lái)設(shè)置，假設(shè)檢測(cè)器評(píng)估的幾何場(chǎng)區(qū)域。
- 在VirtualLab中，所需包含的衍射是由引擎自動(dòng)決定的。
- 因此，探測(cè)器上的強(qiáng)度圖顯示出衍射效應(yīng)。
? 第2代場(chǎng)追跡
- 在這個(gè)示例中，可以通過(guò)減小球面波到孔徑的距離來(lái)減小衍射的影響。
- 因此，到球面波輸入平面的距離減小到3mm。
展開 摘要
通過(guò)考慮諧波場(chǎng)而非光線，光場(chǎng)追跡法對(duì)光線追跡法進(jìn)行了概括推廣。光場(chǎng)追跡法可以容許位于系統(tǒng)不同子區(qū)域的不同的建模技術(shù)進(jìn)行無(wú)縫連接。基于分解和互聯(lián)的理念，這篇文章介紹了非序列場(chǎng)追跡的基本概念，同時(shí)推導(dǎo)出了相應(yīng)的算子方程組和一個(gè)求解公式用于仿真。對(duì)問題的求值需要局部麥克斯方程的解（分解）；并且隨著迭代過(guò)程的收斂實(shí)現(xiàn)解決方案在通過(guò)界面處的連續(xù)性（互聯(lián)）。通過(guò)使用引入的一種新的光路樹算法，對(duì)需要求解的局部問題的數(shù)量進(jìn)行優(yōu)化。最后，我們展示了一些選擇局部麥克斯韋方程組的案例和數(shù)值結(jié)果。
1. 簡(jiǎn)介
現(xiàn)代光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要高級(jí)模擬技術(shù)。通常，仿真過(guò)程中需要在時(shí)域或者頻域中求解麥克斯韋方程組。即使這些方程的解決方案已經(jīng)在過(guò)去數(shù)十年被廣泛的討論，使用比如有限元法（FEM），但由于以下主要原因，其在光學(xué)領(lǐng)域仍然非常具有挑戰(zhàn)性：（1）感興趣的波長(zhǎng)一般在1微米以下，有時(shí)甚至在100納米之下，（2）一個(gè)系統(tǒng)中的長(zhǎng)度量級(jí)可能在納米和米之間變化。應(yīng)用波長(zhǎng)532納米（綠光）的標(biāo)準(zhǔn)激光系統(tǒng)，使用特征尺寸僅有幾微米的結(jié)構(gòu)界面并且需要在一個(gè)系統(tǒng)中與數(shù)厘米或者米的結(jié)構(gòu)一同模擬。這表明物理光學(xué)模擬，例如，使用標(biāo)準(zhǔn)的有限元法，如今在標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算機(jī)上并不可行。
另一方面，大部分光學(xué)系統(tǒng)可以通過(guò)使用近似的方法，實(shí)現(xiàn)足夠精確的模擬。尤其是光線追跡方法在光學(xué)模擬中得到了廣泛的使用。幾款基于光線追跡方法的商業(yè)工具在二十世紀(jì)八十年代隨著個(gè)人電腦技術(shù)的新興便已確立。然而，光線追跡方法有一些嚴(yán)重的限制，例如，當(dāng)系統(tǒng)中存在微結(jié)構(gòu)時(shí)，其便會(huì)失效。
這就是我們引入場(chǎng)追跡的原因[6,12]。場(chǎng)追跡將一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)分解成子域。與光線追跡相比，場(chǎng)追跡是計(jì)算通過(guò)系統(tǒng)的電磁諧波場(chǎng)。在實(shí)際應(yīng)用中，此方法具有三個(gè)基本的優(yōu)勢(shì)：（1）場(chǎng)追跡法統(tǒng)一光學(xué)建模。其概念允許我們?cè)谙到y(tǒng)的不同子域中應(yīng)用任何表述矢量諧波場(chǎng)的技術(shù)。
展開 摘要
通過(guò)考慮諧波場(chǎng)而非光線，光場(chǎng)追跡法對(duì)光線追跡法進(jìn)行了概括推廣。光場(chǎng)追跡法可以容許位于系統(tǒng)不同子區(qū)域的不同的建模技術(shù)進(jìn)行無(wú)縫連接。基于分解和互聯(lián)的理念，這篇文章介紹了非序列場(chǎng)追跡的基本概念，同時(shí)推導(dǎo)出了相應(yīng)的算子方程組和一個(gè)求解公式用于仿真。對(duì)問題的求值需要局部麥克斯方程的解（分解）；并且隨著迭代過(guò)程的收斂實(shí)現(xiàn)解決方案在通過(guò)界面處的連續(xù)性（互聯(lián)）。通過(guò)使用引入的一種新的光路樹算法，對(duì)需要求解的局部問題的數(shù)量進(jìn)行優(yōu)化。最后，我們展示了一些選擇局部麥克斯韋方程組的案例和數(shù)值結(jié)果。
1.簡(jiǎn)介
現(xiàn)代光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要高級(jí)模擬技術(shù)。通常，仿真過(guò)程中需要在時(shí)域或者頻域中求解麥克斯韋方程組。即使這些方程的解決方案已經(jīng)在過(guò)去數(shù)十年被廣泛的討論，使用比如有限元法（FEM），但由于以下主要原因，其在光學(xué)領(lǐng)域仍然非常具有挑戰(zhàn)性：（1）感興趣的波長(zhǎng)一般在1微米以下，有時(shí)甚至在100納米之下，（2）一個(gè)系統(tǒng)中的長(zhǎng)度量級(jí)可能在納米和米之間變化。應(yīng)用波長(zhǎng)532納米（綠光）的標(biāo)準(zhǔn)激光系統(tǒng)，使用特征尺寸僅有幾微米的結(jié)構(gòu)界面并且需要在一個(gè)系統(tǒng)中與數(shù)厘米或者米的結(jié)構(gòu)一同模擬。這表明物理光學(xué)模擬，例如，使用標(biāo)準(zhǔn)的有限元法，如今在標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算機(jī)上并不可行。
另一方面，大部分光學(xué)系統(tǒng)可以通過(guò)使用近似的方法，實(shí)現(xiàn)足夠精確的模擬。尤其是光線追跡方法在光學(xué)模擬中得到了廣泛的使用。幾款基于光線追跡方法的商業(yè)工具在二十世紀(jì)八十年代隨著個(gè)人電腦技術(shù)的新興便已確立。然而，光線追跡方法有一些嚴(yán)重的限制，例如，當(dāng)系統(tǒng)中存在微結(jié)構(gòu)時(shí)，其便會(huì)失效。
這就是我們引入場(chǎng)追跡的原因[6,12]。場(chǎng)追跡將一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)分解成子域。與光線追跡相比，場(chǎng)追跡是計(jì)算通過(guò)系統(tǒng)的電磁諧波場(chǎng)。在實(shí)際應(yīng)用中，此方法具有三個(gè)基本的優(yōu)勢(shì)：（1）場(chǎng)追跡法統(tǒng)一光學(xué)建模。
展開 A 36, 1551-1558 (2019)
參考文獻(xiàn)
VirtualLab Fusion的強(qiáng)大之處，不只是“能算出結(jié)果”，而是它提供了一套圍繞光場(chǎng)傳播的完整分析邏輯。VirtualLab Fusion 的場(chǎng)追跡技術(shù)，本質(zhì)上是將光場(chǎng)傳播統(tǒng)一到傅里葉域框架下，再針對(duì)不同傳播任務(wù)選擇合適的傅里葉變換算法組合來(lái)實(shí)現(xiàn)高效而精確的計(jì)算。通過(guò)這三類算法的協(xié)同，VirtualLab Fusion 能夠在統(tǒng)一的場(chǎng)追跡框架中兼顧傳播精度、計(jì)算效率和建模靈活性，從而實(shí)現(xiàn)從整面?zhèn)鞑サ骄植恐瘘c(diǎn)分析、從標(biāo)準(zhǔn)傅里葉傳播到高NA矢量場(chǎng)計(jì)算的多層次光場(chǎng)仿真。對(duì)于使用者來(lái)說(shuō)，真正重要的不是記住算法縮寫，而是理解它們背后的適用條件與建模意圖。
五、結(jié)語(yǔ)
展開 
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總結(jié)——元器件
幾何光學(xué)焦距下的場(chǎng)追跡分析
首先利用VirtualLabFusion中的場(chǎng)追跡找到球形透鏡的焦距。
VirtualLabFusion中的場(chǎng)追跡提供了對(duì)系統(tǒng)中任何期望平面上的完整場(chǎng)信息的訪問。
在最佳工作距離下的分析
耦合效率最高的焦點(diǎn)的形狀與光纖模式相似。
VirtualLab Fusion的非序列場(chǎng)追跡技術(shù)能夠精確建模完全不同類型的標(biāo)準(zhǔn)具，無(wú)論是結(jié)合高反射膜層的平面或曲面。此外，物理-光學(xué)建模方法自動(dòng)包含矢量效應(yīng)，因此允許研究偏振效應(yīng)對(duì)干涉圖樣的影響。
光學(xué)標(biāo)準(zhǔn)具用于各種應(yīng)用，例如在光譜學(xué)和激光諧振器領(lǐng)域。
利用VirtualLab Fusion的非序列場(chǎng)追跡技術(shù)，分析了多種結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)具，研究了輸出干涉條紋的差異，包括偏振效應(yīng)。
利用非序列場(chǎng)追跡技術(shù)，充分考慮了多元反射對(duì)條紋對(duì)比度的影響，研究了涂層的反射率對(duì)條紋對(duì)比度的影響。
建模任務(wù)
最后，把計(jì)算引擎設(shè)置為場(chǎng)追跡，選好合適的傳播算子，然后運(yùn)行。為什么這里推薦場(chǎng)追跡？因?yàn)镈OE本質(zhì)上是對(duì)光場(chǎng)相位進(jìn)行精細(xì)調(diào)制，最終你關(guān)心的是經(jīng)過(guò)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(chǎng)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(dòng)光學(xué)信息。
第五步，跑起來(lái)，看結(jié)果說(shuō)話
為什么這很重要？
VirtualLab Fusion 的場(chǎng)追跡技術(shù)，本質(zhì)上是將光場(chǎng)傳播統(tǒng)一到傅里葉域框架下，再針對(duì)不同傳播任務(wù)選擇合適的傅里葉變換算法組合來(lái)實(shí)現(xiàn)高效而精確的計(jì)算。通過(guò)這三類算法的協(xié)同，VirtualLab Fusion 能夠在統(tǒng)一的場(chǎng)追跡框架中兼顧傳播精度、計(jì)算效率和建模靈活性，從而實(shí)現(xiàn)從整面?zhèn)鞑サ骄植恐瘘c(diǎn)分析、從標(biāo)準(zhǔn)傅里葉傳播到高NA矢量場(chǎng)計(jì)算的多層次光場(chǎng)仿真。
目 錄
第一章 VirtualLab Fusion理論基礎(chǔ) 1
1.1 幾何光學(xué)和光線追跡 1
1.2 物理光學(xué)和光場(chǎng)追跡 1
1.2.1 統(tǒng)一場(chǎng)追跡 3
1.2.2 第二代場(chǎng)追跡 6
第二章 VirtualLab Fusion安裝與更新 10
2.1 VirtualLab 版本說(shuō)明及系統(tǒng)配置要求 10
2.2
光學(xué)檢測(cè)用的斐索干涉儀
借助非連續(xù)場(chǎng)追跡技術(shù)建立了斐索干涉儀，并顯示了來(lái)自幾個(gè)不同測(cè)試表面的干涉條紋。
用于非序列追跡的通道設(shè)置
總結(jié)-組件
系統(tǒng)印象
場(chǎng)追跡結(jié)果
結(jié)果的非對(duì)稱
光柵的非對(duì)稱性也導(dǎo)致干涉中的輕微不對(duì)稱性。可以在結(jié)果中識(shí)別光柵是否鏡像，結(jié)果也將顯示為鏡像。
VirtualLab Fusion技術(shù)
然后，通過(guò)配置的設(shè)置沿著這些光路追跡場(chǎng)。
非序列追跡的通道設(shè)置
受抑全內(nèi)反射（FTIR）
棱鏡之間的間隙是由分層介質(zhì)組件來(lái)仿真的。這樣做的原因是，分層介質(zhì)組件的S矩陣求解器考慮到了倏逝波，從而能夠?qū)TIR等效應(yīng)進(jìn)行建模。更多關(guān)于分層介質(zhì)組件的信息在下面：
分層的介質(zhì)成分
層矩陣求解器
分層介質(zhì)組件使用層矩陣電磁場(chǎng)求解器。
