光學系統仿真的案例
報名 | 聚焦行業：Ansys光學系統仿真在顯示器行業中的應用
Ansys光學系統仿真軟件可以輕松解決復雜的光學問題，并細化視覺外觀以獲得可感知的質量，通過真實的視覺體驗大大提升最終產品的質量，并將設計和工程過程融合到一個統一且連接的工作流程中。
OLED 和 LED 顯示器的整體性能取決于不同方面，例如顯示像素的發光特性、環境光照和人類感知。4月29日，原定活動 “Ansys optiSLang, Lumerical和Speos聯合仿真實現顯示器設計優化” 將全面升級為『聚焦行業：Ansys光學系統仿真在顯示器行業中的應用』專題網絡研討會，本次活動將展示如何通過 Ansys Lumerical STACK設計的微觀結構來仿真顯示器；如何通過Speos分析典型環境中整個宏觀顯示器的發光表現；以及在 Ansys optiSLang 的幫助下，處理優化顯示器像素設計的復雜任務，以協調整個仿真工作流程并執行高級多目標優化。歡迎顯示器設計研究人員預約本次活動。
提示：Ansys 系統事業部后續還將推出HUD, Camera, AR/VR等行業應用主題系列內容，敬請關注。
時間
4月29日（星期五），16:00-17:30
內容大綱
Ansys Lumerical-顯示器技術包含了很多微納結構，透過Ansys Lumerical能夠仿真微納結構造成的衍射、散射、干涉等波動光學效應。
展開 [光學工程] JCMsuite納米光學仿真分析軟件
JCMsuite是一款來自德國JCMwave公司、最適于復雜納米光學系統的仿真和設計軟件。它利用最先進的技術，為光學、連續介質力學和熱傳導問題提供快速準確的數值求解。它提供易用的腳本環境、可集成分析工具（如MATLAB、Python等）、機器學習優化技術等功能。”
JCMsuite是一款功能強大且靈活的仿真計算軟件，最適于復雜納米光學系統的仿真和設計。它利用最先進的技術，為光學、連續介質力學和熱傳導問題提供快速準確的數值求解。JCMsuite為您提供易用的腳本環境使用界面，并能完全集成在數據分析工具包中，且通過最新的機器學習技術優化您的光學系統。
01
—
復雜光學系統的仿真
JCMsuite是一個完整且易用的有限元計算軟件，用于計算復雜納米光學系統中的電磁波、彈性和熱傳導。 基于數學和計算科學理論，JCMsuite擁有極短的計算時間、緊湊的數據空間需求和高度可靠性。
02
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分析和優化
JCMsuite包含用于高效地分析和優化納米光學器件或其他光學系統特性的工具。高級的機器學習技術可以有效地搜尋最佳設計，并顯著縮短開發時間。
03
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JCMsuite技術
JCMsuite是基于先進的數學方法和計算科學技術。它利用有限元方法（FEM）的強大功能和靈活性來實現快速準確的仿真計算，并使用最新的機器學習技術來優化復雜的光學系統。
1、CAD和網格劃分工具
JCMsuite幾何創建和網格劃分工具專門用于光子應用。
形狀和幾何形狀：可以使用線性或彎曲單元創建各種CAD幾何圖形，例如2D和3D基元、擠出、圓角形狀和自由形狀等。
展開 電子后視鏡（CMS）和駕駛員監測系統(DMS)光學仿真解決方案
電子后視鏡（CMS），將攝像頭+監控顯示屏結合，形成取代傳統后視鏡的光學后視鏡系統。在CMS電子后視鏡系統中，無論是攝像頭鏡頭設計、攝像頭成像質量、監控屏設計，還是整體后視鏡系統的可視化，均需要光學仿真技術。
運用Ansys lumerical、Zemax和Speos三款仿真軟件可以對其進行系統性的模擬，包括CMS透鏡設計和優化、雜散光分析、成像的可視化仿真、成像系統的動態仿真、攝像頭的多物理仿真。
隨著智能汽車的發展，通過先進的攝像頭技術增強汽車安全性、效率和自動駕駛已經是必備功能。在各種車型上的廣泛采用，對攝像頭系統提出了更高的要求和挑戰。
高分辨率成像，用于精確的物體檢測和識別，實時處理，在動態駕駛環境中實現快速決策，對環境因素(包括天氣條件和照明變化)的適應性，攝像頭系統緊湊，低功耗設計，可無縫集成到車輛中。
面對這些挑戰，Ansys光學產品提供從組件到系統的光學仿真全鏈路解決方案。 7月9日，Ansys 將推出 「CMS/DMS系統光學仿真解決方案」主題 網絡研討會 ，屆時將以CMS和DMS為例，介紹光學仿真軟件在車載攝像頭設計仿真中的應用。
時間：7月9日，16:00-17:00
講師：
劉洋 | Ansys光學高級應用工程師
負責Ansys SPEOS光學仿真解決方案、咨詢和技術支持工作，在航空照明設計、駕駛艙內飾人機工效分析、光學系統成像領域有豐富設計仿真經驗。
形式：線上
費用：免費
掃碼免費報名
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。
展開 JCMsuite納米光學仿真軟件包簡介
JCMsuite納米光學仿真軟件包簡介
來源:訊技光電 作者: 技術部
JCMsuite是計算復雜納米光學系統中電磁場的有限元求解器。其連續力學和熱傳導模塊能夠實現復雜材料的建模，如應力誘導的雙折射。利用所包含的光學成像和光源工具能夠完成全波長光學系統仿真的工作流程，如顯微鏡、散射儀或單光子光源(包括芯片光纖耦合和非相干效應)。
分析與優化
JCMsuite包含的工具可用于納米光學器件或其他系統性能的高效分析與優化設計。先進的機器學習技術能夠實現以下功能，
? 優化設計的全局搜索，
? 敏感性和穩健性分析，
? 測量數據的參數重構。
這些方法通常比傳統的方法(如隨機搜索或蒙特卡羅分析)要快得多。
展開 
將超透鏡建模集成到多尺度光學系統仿真中（Frank Wyrowski教授）
除了理論概念的探討之外，本文章還將包含多個仿真和設計示例。在結束這段介紹時，我們希望強調，LightTrans International 在平面透鏡（包括超透鏡（metalenses））的重要性問題上保持中立立場。我們的使命是為您提供強大的軟件工具，使您能夠在工作中探索平面透鏡技術的意義和應用。
圖1：幻燈片#6
第二章
多尺度的光學仿真
幻燈片 #9–10
超表面（Metasurfaces）利用具有高折射率的納米結構（通常稱為meta-atoms或者metacells），排列在折射率較低的基底上。這一方法早已被提出 [2]，但近年來再次引起廣泛關注 [3]。如果希望對該領域有初步深入的了解，建議閱讀 Lalanne 和 Chavel 撰寫的綜述文章 [4]。此外，還推薦 Yang Fan 等人 撰寫的教程 [6]，其中包含大量補充參考資料。
幻燈片 #11–12
由于超表面（metasurfaces）由納米結構組成，顯然幾何光學方法并不適用。相反，必須采用基于麥克斯韋方程組（Maxwell’s equations）的電磁場理論，即通常所稱的物理光學（physical optics）。因此，在透鏡系統中整合超透鏡（metalenses）或其他平面透鏡，與傳統透鏡曲面及其他光學元件結合，會形成一個多尺度系統（multiscale system）。這就需要一種跨尺度的光學建模方法，通常稱為多尺度光學仿真（multiscale optical simulation）。簡單來說，必須強調的是：多尺度仿真無法僅通過數據接口將多個光學軟件工具連接在一起實現。相反，它需要一個全面的策略，基于高階物理光學理論，為光學軟件提供堅實的理論基礎。對不同尺度的光學系統進行建模，需要在統一的物理光學框架內集成多種不同的仿真模型。
展開 VirtualLab運用：光學測量系統的分析與公差
VirtualLab Fusion 軟件可以對光學測量系統進行仿真，如干涉儀、光譜儀以及表面測量器件。
很多光學測量原理都是基于光的波動特性。典型的器件有：
?干涉儀
?光譜儀&單色儀
?表面計量系統
VirtualLab Fusion 軟件可以對這些測量系統進行仿真及公差分析。許多設置都是以衍射效應、干涉效應以及時間和空間相干性為特點。VirtualLab的場追跡引擎進行快速精確的測量系統建模的同時考慮了這些物理光學效應。
VirtualLab Fusion軟件的特性：
?基于物理光學的計量系統仿真
?包含部分相干和衍射效應
?尤其對傾斜和偏移的公差分析
?真彩色獲取
?便于使用的位置概念
?干涉條紋的計算
?測繪掃描系統的仿真
?全譜段高分辨率分析
用于表面拓撲測量的白光邁克爾遜干涉儀的仿真。整個系統中部分相干的白光可以利用VirtualLab Fusion仿真。
試用軟件和應用示例：
如果對更多信息感興趣，請通過 support@lighttrans.com 或通過VirtualLab Fusion試用版結合我們提供的應用示例開展你的實驗工作：
?MSY.0001: 使用相干光的馬赫澤德干涉儀仿真。(download)
?MSY.0002: 白光邁克爾遜干涉儀的仿真。(download)
?MSY.0003: Czerny-Turner單色儀和光譜儀。
展開 VirtualLabFusion多元化光學仿真平臺
收集基本模擬任務
光學建模和設計任務通常需要處理許多基本仿真任務。原因是多方面的，包括下面的例子：
?多色光源和超短脈沖
由一組單色場表示，這些單色場必須通過系統傳播。每個單色場決定一個基本的仿真任務。
?多模光源
發射多個橫向模式，例如，多模激光器或LED等擴展源，每一種模式都可看作一個基本的仿真任務。
?處理全視場(FOV)
例如，對于成像系統和AR眼鏡，結果是每個視場的基本仿真任務的疊加。
?掃描系統參數
例如，移動探測器位置以分析焦點區域，每個參數得配置都是一個基本的仿真任務。
?公差
分析多種配置從而研究光學系統對參數變化的靈敏度。每個系統的配置可看作一個基本的仿真任務。
?優化
使用現代技術進行優化，如進化算法，每個優化步驟都需要許多基本的仿真任務。
如何實現高速計算？
在每個場景或場景的組合中，都有一組基本的仿真任務需要處理。分布式計算允許對集合的模擬進行并行處理，而不是一個接一個地執行模擬。所實現的仿真速度與應用計算機網絡的大小成正比。
VirtualLab Fusion多元化光學仿真平臺的應用領域
VirtualLab Fusion能夠實現多元化光學的建模和仿真，已廣泛的應用于高校、研究所以及各知名光學企業。其主要應用領域如下：
1.光束整形
VirtualLab Fusion能夠使用自由曲面，衍射光束分束器與圖案生成器，擴散器和常規陣列微光學元件（包括但不局限于微透鏡陣列）實現光束整形。
1)折射光束整形
2)衍射光束整形
3)擴散片
4)微透鏡陣列和微結構單元陣列
2.光學測量系統
通過高速物理光學，對干涉儀、光譜儀和傳統式或結構照明式顯微鏡的成像質量與分辨率限制進行全面的研究。
展開 在 COMSOL 中對自適應光學系統進行仿真
自適應光學的基本原理簡單但很強大。自適應光學系統使用一個波前傳感器來測量進入的波前。波前傳感器對進入的波前進行測量并計算校正值，然后將其應用于光學元件中，對波前進行實時校正。光學元件和系統的關鍵部分主要是一個由連接到光學表面的執行器陣列組成的可變形鏡，這個光學表面隨執行器的運動而變形。
可以基于如磁、靜電或壓電等不同的方法來驅動可變形鏡。如今，最常用的方法是微機電系統（MEMS）可變形鏡。最近，科學家們正在探索一些新的理論，如微光機電系統（MOEMS）和鐵磁流體反射鏡。
用超大型望遠鏡制作的 HIC59206 星的圖像，經過自適應光學系統的校正。來源：Wikimedia Commons。本文件經 Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported license 授權使用。
使用 COMSOL 多物理場仿真軟件模擬自適應光學系統
使用多物理場仿真對自適應光學系統進行設計有很多好處，特別是對帶有不同 MEMS 執行器的可變形鏡進行設計。COMSOL Multiphysics 仿真軟件平臺是對這類自適應光學系統中的關鍵部件進行建模的理想工具。
自適應光學，特別是它在天文系統中的應用，曾經是我們多次在用戶年會上重點討論的話題。現代天體物理學是一門高科技科學，它從工業和研究之間的緊密聯系中獲取能量，用于解決宏大的科學項目中的各種工程挑戰。
天體物理學科學和工程的一個挑戰是開發大型先進望遠鏡，其鏡面直徑從幾米到高達 40 米。例如，目前正在夏威夷 Mauna Kea 天文臺建造的30 米望遠鏡，由于采用了創新的自適應光學系統，光學性能將比哈勃太空望遠鏡好近十倍。
展開 設計仿真 | MSC Nastran助力AEH公司光學系統的機械設計
01
背 景
光學系統中常見的機械故障是支撐結構的剛度不足。剛度對于保持光學元件的對中和實現足夠的光學性能至關重要。機械工程師有責任在機械設計中提供足夠的剛度。
光學工程師喜歡將機械工程師的結構設計導入到他們的光學設計程序中來對其進行評估。這個過程包括將機械工程師的CAD模型導入到結構分析有限元程序中，然后再將有限元分析結果導入到光學設計程序中。為了方便這個操作，光學工程師開發了解析器和插值器，這使得光學工程師可以觀察到機械設計對光學圖像的影響。光學程序通常是針對光學幾何的大位移非線性求解器。
對于機械工程師來說，這個過程有兩個缺點。首先，它需要一個比較完整的系統CAD模型，而這個模型只有在機械設計的后期才能給出。因此，機械設計的缺陷只能在機械設計過程的后期才被發現。其次，通過解析器和插值器從光學效應追蹤到可能導致光學問題的機械設計特征是有問題的。因此，難以對機械設計制定合理、有效的變更。
光學工程師認為需要使用他們的大位移非線性程序來分析機械變形引起的擾動。然而，對于1米尺寸大小的結構，光學元件允許的變形通常很小，在微米量級。對于這種大小的擾動，可以表明工程精度不需要非線性求解器。
展開 基于VirtualLab Fusion的原子光刻基片定位方案的光學系統仿真
摘要：為了探究原子光刻中基片與會聚激光場間距對沉積納米光柵質量的影響，我們基于VirtualLab Fusion平臺實現了基片定位控制方案中光學系統的建模和仿真。結果顯示：基片在切割會聚激光時將產生直邊衍射圖像，其輪廓形狀和最大值都會隨著基片切割激光截面區域大小的變化而變化：虛擬光電探測器上所得到的反射光強度值將隨著基片－會聚激光間距的變化給出了倒置的高斯線型，其最低點出現在基片中心和會聚激光場軸線重合時的位置上。當會聚激光場截面恰好被基片阻擋一半時，探測處的強度值降至45.5%。這種光強隨基片位置的變化情況為精確地定位基片位置提供了理論支撐。
關鍵詞：原子光刻；鉻原子；會聚激光；VirtualLab Fusion平臺
納米科技的快速發展，迫切需要相關檢測儀器具有量值溯源的特性，以保證加工對象的精度和成品率．現在開發出來的計量型納米測量儀器有如下原因而不能滿足現場或者一般實驗室快速 溯源檢測的要求。１）設計復雜，價格昂貴，工作環境要求苛刻；2）只能建立在國家級計量院所
展開 基于VirtualLab Fusion的原子光刻基片定位方案的光學系統仿真
張寶武1，霍劍鋒1，饒鵬輝2，張明月1，劉媛媛1，余桂英1，王道檔1
（1.中國計量大學計量測試工程學院，浙江 杭州310018； 2.訊技光電科技（上海）有限公司，上海200092）
摘要：為了探究原子光刻中基片與會聚激光場間距對沉積納米光柵質量的影響，我們基于VirtualLab Fusion平臺實現了基片定位控制方案中光學系統的建模和仿真。結果顯示：基片在切割會聚激光時將產生直邊衍射圖像，其輪廓形狀和最大值都會隨著基片切割激光截面區域大小的變化而變化：虛擬光電探測器上所得到的反射光強度值將隨著基片－會聚激光間距的變化給出了倒置的高斯線型，其最低點出現在基片中心和會聚激光場軸線重合時的位置上。當會聚激光場截面恰好被基片阻擋一半時，探測處的強度值降至45.5%。這種光強隨基片位置的變化情況為精確地定位基片位置提供了理論支撐。
關鍵詞：原子光刻；鉻原子；會聚激光；VirtualLab Fusion平臺
納米科技的快速發展，迫切需要相關檢測儀器具有量值溯源的特性，以保證加工對象的精度和成品率．現在開發出來的計量型納米測量儀器有如下原因而不能滿足現場或者一般實驗室快速 溯源檢測的要求。１）設計復雜，價格昂貴，工作環境要求苛刻；2）只能建立在國家級計量院所
展開 
適用于所有偏振敏感光學系統的三維偏振代數體系
摘要 ：本文利用三維相干矢量（9×1矩陣）構建了一種新型三維偏振代數，可用于計算所有偏振敏感光學系統的偏振特性，尤其適用于入射光場為部分偏振或非偏振的情況。基于該三維偏振代數，我們對高數值孔徑（NA=1.25油浸式）顯微物鏡的偏振特性進行了理論分析，并采用商用軟件VirtualLab Fusion對該高數值孔徑光學系統進行了偏振仿真。通過對比理論計算與仿真結果，兩者呈現出完全匹配的關系，證實該三維偏振代數能夠有效量化所有偏振敏感光學系統的三維偏振特性。
設計仿真 | MSC Nastran助力AEH公司光學系統的機械設計
01
背 景
光學系統中常見的機械故障是支撐結構的剛度不足。剛度對于保持光學元件的對中和實現足夠的光學性能至關重要。機械工程師有責任在機械設計中提供足夠的剛度。
光學工程師喜歡將機械工程師的結構設計導入到他們的光學設計程序中來對其進行評估。這個過程包括將機械工程師的CAD模型導入到結構分析有限元程序中，然后再將有限元分析結果導入到光學設計程序中。為了方便這個操作，光學工程師開發了解析器和插值器，這使得光學工程師可以觀察到機械設計對光學圖像的影響。光學程序通常是針對光學幾何的大位移非線性求解器。
對于機械工程師來說，這個過程有兩個缺點。首先，它需要一個比較完整的系統CAD模型，而這個模型只有在機械設計的后期才能給出。因此，機械設計的缺陷只能在機械設計過程的后期才被發現。其次，通過解析器和插值器從光學效應追蹤到可能導致光學問題的機械設計特征是有問題的。因此，難以對機械設計制定合理、有效的變更。
光學工程師認為需要使用他們的大位移非線性程序來分析機械變形引起的擾動。然而，對于1米尺寸大小的結構，光學元件允許的變形通常很小，在微米量級。對于這種大小的擾動，可以表明工程精度不需要非線性求解器。事實上，可以認為光學函數比固體力學函數更具線性，而有限元方法本身也是固體力學函數的線性簡化。
02
挑 戰
機械工程師在光學系統設計中的工作是檢查機械設計空間，尋找潛在的光學問題。為此，機械工程師需要工具將設計的力學行為與系統的光學行為聯系起來。這些工具需要適用于早期簡化的設計概念模型以及最終確定的詳細CAD模型，需要與光學工程師和機械工程師在項目后期可能進行的任何分析保持一致。
展開 [VirtualLab論文] 適用于所有偏振敏感光學系統的三維偏振代數體系
摘要：本文利用三維相干矢量（9×1矩陣）構建了一種新型三維偏振代數，可用于計算所有偏振敏感光學系統的偏振特性，尤其適用于入射光場為部分偏振或非偏振的情況。基于該三維偏振代數，我們對高數值孔徑（NA=1.25油浸式）顯微物鏡的偏振特性進行了理論分析，并采用商用軟件VirtualLab Fusion對該高數值孔徑光學系統進行了偏振仿真。通過對比理論計算與仿真結果，兩者呈現出完全匹配的關系，證實該三維偏振代數能夠有效量化所有偏振敏感光學系統的三維偏振特性。
適用于所有偏振敏感光學系統的三維偏振代數體系
摘要 ：本文利用三維相干矢量（9×1矩陣）構建了一種新型三維偏振代數，可用于計算所有偏振敏感光學系統的偏振特性，尤其適用于入射光場為部分偏振或非偏振的情況。基于該三維偏振代數，我們對高數值孔徑（NA=1.25油浸式）顯微物鏡的偏振特性進行了理論分析，并采用商用軟件VirtualLab Fusion對該高數值孔徑光學系統進行了偏振仿真。通過對比理論計算與仿真結果，兩者呈現出完全匹配的關系，證實該三維偏振代數能夠有效量化所有偏振敏感光學系統的三維偏振特性。
