場追跡技術的案例
一文讀懂VirtualLab Fusion場追跡技術
A 36, 1551-1558 (2019)
參考文獻
VirtualLab Fusion的強大之處，不只是“能算出結果”，而是它提供了一套圍繞光場傳播的完整分析邏輯。VirtualLab Fusion 的場追跡技術，本質上是將光場傳播統一到傅里葉域框架下，再針對不同傳播任務選擇合適的傅里葉變換算法組合來實現高效而精確的計算。通過這三類算法的協同，VirtualLab Fusion 能夠在統一的場追跡框架中兼顧傳播精度、計算效率和建模靈活性，從而實現從整面傳播到局部逐點分析、從標準傅里葉傳播到高NA矢量場計算的多層次光場仿真。對于使用者來說，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、結語
展開 非序列配置：如何使用光線追跡和場追跡的仿真設置
? 能量閾值越小，追跡的路徑越多。
4. 最高級別(非序列光線\光場追跡)
? 最高級別是非序列追跡引擎的停止標準。
? 該參數直接限制每個非序列路徑檢測到的表面過度/相互作用的數量。
最高級別：過度/相互作用
對于非順序的傳播VirtualLab跟蹤不同的光路/信道：
? 相鄰圖示說明了在非順序模擬過程中使用的級別編號。
? 隨著每個表面的相互作用，等級會增加。
L＃ ……光傳播的級別
I＃ ……表面相互作用
相關級別的默認值為100。
? 下面顯示了最高級別的影響示例。
? 就本例而言，入射角為30°的平面波通過標準具的傳播。
? 最高級別越高，追跡的路徑越多。
5. 路徑檢測(非序列光線\光場追跡)
? VirtualLab使用兩步過程追跡非順序場。
? 在第一步中，VirtualLab將搜索存在哪些光路。在第二步中，場沿著已找到的路徑傳播。
? 光路搜索意味著識別哪些光路/光柵區域存在哪些入射和出射通道。
? 這是通過默認為1的信道分辨率精度完成的。
6. 路徑可視化(非序列光線\光場追跡)
? 在3D視圖中僅顯示入射檢測器的路徑參數控制所有場的非序列路徑的可視化。
? 對于雜散光可視化，看到沒有入射指定檢測器的光路可能會很有趣
7. 文件和技術信息
展開 非序列光場追跡
摘要
通過考慮諧波場而非光線，光場追跡法對光線追跡法進行了概括推廣。光場追跡法可以容許位于系統不同子區域的不同的建模技術進行無縫連接。基于分解和互聯的理念，這篇文章介紹了非序列場追跡的基本概念，同時推導出了相應的算子方程組和一個求解公式用于仿真。對問題的求值需要局部麥克斯方程的解（分解）；并且隨著迭代過程的收斂實現解決方案在通過界面處的連續性（互聯）。通過使用引入的一種新的光路樹算法，對需要求解的局部問題的數量進行優化。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值結果。
1.簡介
現代光學系統設計需要高級模擬技術。通常，仿真過程中需要在時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在過去數十年被廣泛的討論，使用比如有限元法（FEM），但由于以下主要原因，其在光學領域仍然非常具有挑戰性：（1）感興趣的波長一般在1微米以下，有時甚至在100納米之下，（2）一個系統中的長度量級可能在納米和米之間變化。應用波長532納米（綠光）的標準激光系統，使用特征尺寸僅有幾微米的結構界面并且需要在一個系統中與數厘米或者米的結構一同模擬。這表明物理光學模擬，例如，使用標準的有限元法，如今在標準計算機上并不可行。
另一方面，大部分光學系統可以通過使用近似的方法，實現足夠精確的模擬。尤其是光線追跡方法在光學模擬中得到了廣泛的使用。幾款基于光線追跡方法的商業工具在二十世紀八十年代隨著個人電腦技術的新興便已確立。然而，光線追跡方法有一些嚴重的限制，例如，當系統中存在微結構時，其便會失效。
這就是我們引入場追跡的原因[6,12]。場追跡將一個光學系統分解成子域。與光線追跡相比，場追跡是計算通過系統的電磁諧波場。在實際應用中，此方法具有三個基本的優勢：（1）場追跡法統一光學建模。
展開 [VirtualLab] 如何利用場追跡控制衍射的包含
? 首先，利用光線追跡引擎對系統進行不包含衍射的分析；
? 然后，使用場追跡引擎對系統進行分析，其中包含的衍射通常是自動包含的，但是可以通過不同的用戶設置來控制。
4. 光線追跡系統分析
? 光線追跡系統分析器
- 通常開始使用光線追跡系統分析器（Ray
- Tracing System Analyzer）分析您的系統。
? 用于演示工作流程的原理設置包括
- 球面波，默認設置，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；
- 相機探測器默認設置。
? 光線追跡引擎
- 接下來，應該使用光線追跡引擎檢查探測器的輸出，而不包含任何衍射效應。
5. 場追跡系統分析
? 第2代場追跡
- 現在，該系統可以在不包含衍射的情況下通過場追跡進行分析。
- 這必須在檢測器設置中通過激活復選框來設置，假設檢測器評估的幾何場區域。
-因此，探測器上的強度圖沒有顯示出任何衍射效應。
? 第2代場追跡
- 現在，該系統可以在包含衍射的情況下通過場追跡進行分析。
- 這必須在檢測器設置中通過不激活復選框來設置，假設檢測器評估的幾何場區域。
- 在VirtualLab中，所需包含的衍射是由引擎自動決定的。
- 因此，探測器上的強度圖顯示出衍射效應。
? 第2代場追跡
- 在這個示例中，可以通過減小球面波到孔徑的距離來減小衍射的影響。
- 因此，到球面波輸入平面的距離減小到3mm。
展開 
VirtualLab Fusion非序列光場追跡
摘要
通過考慮諧波場而非光線，光場追跡法對光線追跡法進行了概括推廣。光場追跡法可以容許位于系統不同子區域的不同的建模技術進行無縫連接。基于分解和互聯的理念，這篇文章介紹了非序列場追跡的基本概念，同時推導出了相應的算子方程組和一個求解公式用于仿真。對問題的求值需要局部麥克斯方程的解（分解）；并且隨著迭代過程的收斂實現解決方案在通過界面處的連續性（互聯）。通過使用引入的一種新的光路樹算法，對需要求解的局部問題的數量進行優化。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值結果。
1. 簡介
現代光學系統設計需要高級模擬技術。通常，仿真過程中需要在時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在過去數十年被廣泛的討論，使用比如有限元法（FEM），但由于以下主要原因，其在光學領域仍然非常具有挑戰性：（1）感興趣的波長一般在1微米以下，有時甚至在100納米之下，（2）一個系統中的長度量級可能在納米和米之間變化。應用波長532納米（綠光）的標準激光系統，使用特征尺寸僅有幾微米的結構界面并且需要在一個系統中與數厘米或者米的結構一同模擬。這表明物理光學模擬，例如，使用標準的有限元法，如今在標準計算機上并不可行。
另一方面，大部分光學系統可以通過使用近似的方法，實現足夠精確的模擬。尤其是光線追跡方法在光學模擬中得到了廣泛的使用。幾款基于光線追跡方法的商業工具在二十世紀八十年代隨著個人電腦技術的新興便已確立。然而，光線追跡方法有一些嚴重的限制，例如，當系統中存在微結構時，其便會失效。
這就是我們引入場追跡的原因[6,12]。場追跡將一個光學系統分解成子域。與光線追跡相比，場追跡是計算通過系統的電磁諧波場。在實際應用中，此方法具有三個基本的優勢：（1）場追跡法統一光學建模。其概念允許我們在系統的不同子域中應用任何表述矢量諧波場的技術。
展開 Offner系統的非序列場追跡分析
通過改變光源的橫向位置，結果顯示在某些情況下鏡面邊緣可能會將場截止，從而影響檢測器平面的成像質量。
1. 建模任務
2. 結果
3. 文件和技術信息
[NEWSLETTER] 光學標準具的建模
VirtualLab Fusion中的非序列場追跡技術可以對不同類型的標準具進行精確建模，其中包括平面或曲面和涂層。作為典型應用，我們展示了以標準具為關鍵部件檢測鈉D線的光學設置。
具有平面或曲面的標準具的建模
我們設置了具有平面和曲面的光學標準具，并使用非序列場追跡技術，研究了干涉條紋的差異。
用標準具檢測鈉D線
為了測量VirtualLab Fusion中的鈉D線，我們建立了一個帶有二氧化硅間隔標準具的光學計量系統，并研究了涂層反射率的影響。
ZEMAX軟件技術應用教程專題繪圖分辨率結果對光線追跡的影響
您會注意到，在這種情況下，光線追跡控制中沒有報錯：
然而，如果您比較這四個系統的光線追跡結果，您將會注意到，環形面分辨率越高，探測器上的總命中率就越高，但是根據上面的光線追跡結果來看，沒有光線被損耗。這里我們可以看出，只有具有自定義繪圖分辨率的探測器才會收集來自相應光源的所有光線：
比較四個系統的結果，可以清楚地看出環形面的繪制分辨率對光線追跡的影響：如果繪制分辨率不足以提供足夠的初步預測，光線追跡的結果是不準確的，且與預期不一致。
注意：上述行為很大程度上取決于您的具體系統，沒有關于何時需要提高繪圖分辨率的總體建議。此外OpticStudio沒有檢測這種潛在問題的方法，因此在這種情況下不會產生光線追跡錯誤。光線追跡結果需要由用戶來檢查（例如，通過系統3D視圖），以確保系統準確性。
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展開 國產AR技術突破 | 自主研發混合光線波前追跡仿真模塊
原文信息
原文標題：“基于混合光線波前追跡法的可視化二維光柵光波導設計研究”
第一作者：葉川東
作者：宋強，覃嘉佳，張善文，王津，劉祥彪，周常河
增強現實（AR）近眼顯示技術中，衍射光波導因輕薄、大視場角等優勢成為核心組件，但核心仿真工具長期被國外壟斷，制約國內產業發展。近日，國內研究團隊成功研發首套基于混合光線波前追跡法的可視化光波導仿真模塊，填補了國產化空白。
二維光柵 AR 波導的分區與光柵結構優化（來自原文）
該模塊創新融合幾何光線追跡與嚴格耦合波分析（RCWA），在宏觀光傳播模擬中保證效率，于微納光柵作用處精準捕獲波前信息，集成 k 域分析、光柵自動布局等核心功能，支持從結構設計到成像系統的跨尺度一體化仿真。
基于此模塊設計的二維衍射光波導，尺寸僅 55mm×40mm×1mm，實現 30° 視場角、15mm×7mm 眼動范圍及 14mm 出瞳距離。出瞳照度均勻性達 51%-86%，視場均勻性 32%-50%，50cycles/mm 空間頻率下 MTF 值均超 0.5，滿足 AR 近眼顯示核心光學要求。
軟件光線傳播分析圖（來自原文）
模塊通過粒子群算法優化耦入光柵參數，將耦出光柵分區設計，有效提升能量分布均勻性。與國外商業軟件對比驗證，關鍵指標高度吻合，彰顯其可靠性與高精度。該模塊現已正式嵌入武漢二元科技有限公司的旗艦產品OAS光學軟件。
該模塊已為國產 AR 光學研發提供自主可控的高效設計工具，助力消費級 AR 設備落地，對推動我國光學技術自主創新與產業升級具有重要意義。
（原文獲?。赫埬叫怕撓倒ぷ魅藛T）
展開 光學設計與仿真技術：Lumerical大尺寸超透鏡的光線追跡仿真
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干涉條紋研究
干涉測量是用于精確測量中最廣泛應用的技術之一。通過觀察和研究條紋圖案，可以判斷表面形狀質量或關于光譜帶寬的儀表信息。利用VirtualLab Fusion中非序列場追跡技術，可以輕松地設置和分析光學干涉儀。在這里提出兩個經典的基于邁克爾遜干涉儀的例子：一個高質量相干激光光源，另一個寬帶白光光源。
模擬使用氙氣燈作為光源的邁克爾遜干涉儀，充分考慮了光源的光譜特性（有限的相干長度）。
馬赫澤德干涉儀
摘要
建模任務
干涉測量法是一項用于光學測量的重要技術。它被廣泛應用于表面輪廓、缺陷、機械和熱變形的高精度測量。作為一個典型示例，在非序列場追跡技術的幫助下，于 VirtualLab Fusion中建立了具有相干激光源的馬赫-澤德干涉儀。該例證明了光學元件的傾斜和位移對干涉條紋圖的影響。
VirtualLab Fusion應用：利用Fabry-Pérot標準具檢測鈉D線
利用非序列場追跡技術，充分考慮了標準具中多次反射引起的相干現象，并研究了涂層反射率對條紋對比度的影響。
建模任務
所有譜線的可視化
銳度與涂層反射率
銳度與涂層反射率
VirtualLab Fusion應用：利用Fabry-Pérot標準具檢測鈉D線
利用非序列場追跡技術，充分考慮了標準具中多次反射引起的相干現象，并研究了涂層反射率對條紋對比度的影響。
建模任務
所有譜線的可視化
銳度與涂層反射率
銳度與涂層反射率
具有平面或曲面的標準具建模
利用非序列場追跡技術，分析了幾種標準具的配置，并研究了輸出干涉條紋的差異。
摘要
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