衍射光學仿真的案例
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 光學系統衍射效應分析棘手？OAS 軟件菲涅爾衍射來解惑
菲涅爾衍射案例分析
簡介
菲涅爾衍射作為光學領域中一種關鍵的衍射現象，其核心特征在于考慮光波的波前曲率，并用菲涅耳積分對衍射圖樣進行精準描述。與夫瑯禾費衍射相比，菲涅爾衍射主要展現光通過小孔或障礙物后，在近場（即距離衍射屏較近的區域）形成的獨特衍射圖樣。本案例使用 OAS 光學軟件，對菲涅爾衍射現象展開細致模擬與分析，旨在為相關領域的研究和實際應用提供有力的技術支撐與理論參考。
案例設置與操作
光源參數配置
為精準模擬菲涅爾衍射現象，本案例構建了特定的光學系統。系統中設置了一個簡易光束光源，其半孔徑為 1mm，波長設定為 0.6283μm。該波長處于可見光波段，在光學實驗和實際應用中具有典型性。同時，將光源與探測器之間的距離設定為 1mm，這一距離配置符合菲涅爾衍射近場研究的條件，能夠有效捕捉近場范圍內衍射圖樣的特征。
光源與探測系統建模
OAS 光學軟件擁有強大的建模能力，可實現對各類光學系統的精確構建。在本案例中，軟件成功完成了簡易光束光源的參數化建模，準確設置了光源的半孔徑和波長參數，確保光源的特性與設計要求完全吻合。對于探測器，軟件通過內置的光學探測模塊進行配置，精準設定了光源與探測器之間的距離參數，為菲涅爾衍射圖樣的探測搭建了穩定的模擬環境，保障了后續數據采集的準確性。
波前追跡與衍射模擬
在本案例中，軟件對光束光源發出的光波進行了全面且精確的波前追跡，詳細計算了光波在傳播過程中的波前曲率變化，以及通過傳播到達探測器過程中的相位和振幅演變。基于菲涅耳積分原理，軟件對光波在探測器處的疊加效果進行計算，從而精準模擬出菲涅爾衍射條紋，為后續的分析提供了清晰、直觀的可視化結果。
展開 衍射光學：超短激光脈沖如何影響光束整形光學
作者：ISRAEL GROSSINGER, SHLOMIT KATZ, NATAN KAPLAN, and ALEX SKLIAR
文章來源：Laser Focus World激光聚焦世界http://www.laserfocusworld.com/articles/print/volume-53/issue-09/features/diffractive-optics-how-ultrashort-laser-pulses-influence-beam-shaping-optics.html
光學仿真工具可以全面剖析超短激光脈沖如何影響衍射光學元件的光束整形特性和能力。
隨著超短脈沖（USP）激光器（也稱為超快激光器）在工業應用中變得越來越普遍，特別是當納秒脈沖USP激光器被更快的飛秒器件取代，使用衍射光學元件（DOE）的光束整形應用變得更具挑戰性。
VirtualLab是由LightTrans International(Jena, Germany; www.lighttrans.com)開發的物理光學仿真工具，可以用于大多數DOE元件（包括分束器和光束整形器）的仿真，利用這款軟件，我們在Holo / Or的團隊研究了USP激光器對DOE功能的影響。研究發現盡管對于大多數光束整形器來說，DOE的影響可以忽略，但對于諸如基于光柵的DOE之類的大角度分束器，可以看到顯著的且不期望的色散效果。
圖1. 對于m = 1且輸入光束直徑為4 mm的渦旋透鏡元件（a），對輸入800 nm高斯脈沖得到的結果（b）和輸入100 fs USP激光脈沖得到的結果（c）進行比較，沒有明顯差異。
展開 衍射光學：超短激光脈沖如何影響光束整形光學
作者：ISRAEL GROSSINGER, SHLOMIT KATZ, NATAN KAPLAN, and ALEX SKLIAR
光學仿真工具可以全面剖析超短激光脈沖如何影響衍射光學元件的光束整形特性和能力。
隨著超短脈沖（USP）激光器（也稱為超快激光器）在工業應用中變得越來越普遍，特別是當納秒脈沖USP激光器被更快的飛秒器件取代，使用衍射光學元件（DOE）的光束整形應用變得更具挑戰性。
VirtualLab是由LightTrans International(Jena, Germany; www.lighttrans.com)開發的物理光學仿真工具，可以用于大多數DOE元件（包括分束器和光束整形器）的仿真，利用這款軟件，我們在Holo / Or的團隊研究了USP激光器對DOE功能的影響。研究發現盡管對于大多數光束整形器來說，DOE的影響可以忽略，但對于諸如基于光柵的DOE之類的大角度分束器，可以看到顯著的且不期望的色散效果。
圖1. 對于m = 1且輸入光束直徑為4 mm的渦旋透鏡元件（a），對輸入800 nm高斯脈沖得到的結果（b）和輸入100 fs USP激光脈沖得到的結果（c）進行比較，沒有明顯差異。
DOE基礎知識
對于許多應用而言，DOE可以用于產生一些傳統的反射或折射光學元件無法達到的獨特光學功能，在系統配置方面更加靈活。與折射解決手段相比，DOE具有很多優勢，包括尺寸小、單個元件具有多種功能、角度精度高、厚度小和相比于折射解法時間色散較小等。
操作原理非常簡單：對于準直入射光束，輸出光束以預先設計的分離角度和強度出射DOE，通過光束整形器，激光束被聚焦成設計好的尺寸和形狀。
展開 
[VirtualLab論文] 通過在增強現實顯示器衍射光波導中插入光學中間層實現角度選擇性衍射效率
傳統的入射耦合光柵設計僅致力于提高一階衍射效率，卻未考慮光波導中衍射光的多次相互作用，因此存在不足。本研究中，為優化耦合光柵設計，引入了入射耦合表面浮雕光柵的背耦合損耗（BCL），以及到達出射耦合光柵的光功率與入射光功率的比值（定義為波導光效率，OEW）。通過在波導與光柵之間插入中間層，我們展示了一種兼具獨特角度選擇性與高衍射效率的簡單有效的方案。引入區域選擇性氟化鎂（MgF?）中間層后，在 40° 視場角下，優化后的平均波導光效率從 8.02% 提升至 8.34%，其均勻性從 24.83% 提升至 35.02%。
如何查看光學系統的衍射強度 | SYNOPSYS光學設計軟件課程第93課
本文主要講如何查看光學系統的衍射強度。在SYNOPSYS中查看光學系統的衍射強度通常會直接使用PSF，同時也會用到DIFF指令。
首先，我們打開鏡頭文件:‘SIMPLE_REFLECTOR.RLE’，在像質分析功能中選擇PSF：
鏡頭文件
請聯系工作人員獲取
此刻可以看到相關的衍射強度圖。
那么在SYNOPSYS上如何使用DIFF指令呢？它是在查看衍射鏡頭時經常用到的一個指令，類似于一個點擴散函數，例如，我們要檢查10以內的艾里斑直徑，這時就會用到DIFF這個指令。我們打開鏡頭文件：‘SIMPLE_REFLECTOR.RLE’。
得到如上圖所示鏡頭結構圖和鏡頭文件。然后重新創建一個宏文件并輸入DIFF指令，
保存為：‘SIMPLE_REFLECTOR.1.MAC’。
宏文件
請聯系工作人員獲取
接下來我們就得到了這樣一張二維衍射強度圖：
可以用有以下指令獲得沿單線穿過中心軸上場的衍射圖樣，同樣以80%的遮擋為例。重新創建一個宏文件并輸入：并保存為：‘SIMPLE_REFLECTOR.2.MAC’，
宏文件
請聯系工作人員獲取
可以得到這樣一張衍射強度圖，如圖所示艾里衍射環很明顯。
展開 通過在增強現實顯示器衍射光波導中插入光學中間層實現角度選擇性衍射效率增強
傳統的入射耦合光柵設計僅致力于提高一階衍射效率，卻未考慮光波導中衍射光的多次相互作用，因此存在不足。本研究中，為優化耦合光柵設計，引入了入射耦合表面浮雕光柵的背耦合損耗（BCL），以及到達出射耦合光柵的光功率與入射光功率的比值（定義為波導光效率，OEW）。通過在波導與光柵之間插入中間層，我們展示了一種兼具獨特角度選擇性與高衍射效率的簡單有效的方案。引入區域選擇性氟化鎂（MgF?）中間層后，在 40° 視場角下，優化后的平均波導光效率從 8.02% 提升至 8.34%，其均勻性從 24.83% 提升至 35.02%。
衍射光學元件設計
衍射元件在不斷發展的圖案生成領域扮演著重要的角色，其設計需要特定的技術，而這些技術與其他類型的元件所采用的技術大不相同。
在VirtualLab中可以找到用于衍射元件設計和優化的特定技術(如迭代傅里葉變換算法或IFTA)，可通過一個會話編輯器來完成，引導用戶在不太了解該方法的條件下完成設計過程。過程中包含了對設計約束的自動檢查。
用于生成2D光標的衍射光束分束器設計
VirtualLab中的迭代傅里葉變換算法（IFTA）可以高效和靈活地設計定制化光束分束器。
生成LightTrans圖標的衍射擴散器設計
設計了兩個具有連續或離散相位分布的衍射擴散器，以生成LightTrans商標。并對其性能進行了研究。
展開 衍射光學元件的產生及其結構數據的輸出
本案例計算從傳輸中得到的衍射光學元件的高度分布和結構數據的產生
關鍵詞：衍射光學，衍射光學元件，結構數據，GDSII，ASCII，位圖
所需工具箱：Diffractive Optics Toolbox Basic；Tutorial在試用版本中不可用。聯系LightTrans或者當地經銷商可申請一段全版本的試用。
相關Tutorials：DO.1; DO.2; DO.3; DO.4; DO.5; DO.7; LBS.1; LBS.2
建模任務
照射光束強度 衍射擴散器 產生的光圖樣強度
建模任務
2 擴散器參數：
—相位層：4
—像素尺寸：830*830nm
—口徑：1*1mm
—周期：664,83*664,83um
2 結構數據輸出為二進制格式
2 需要的高度分布計算
2 蝕刻掩模分解
2 蝕刻掩模輸出為位圖和GDSII文件
打開光學擴散器系統
2 上載文件
DO.008_Generation_of_DOE_Fabrication_Data_01.lpd.
2 文件在VL_Samples文件夾中
光學擴散器系統
2 點擊Go!按鈕開始模擬擴散器系統.
模擬結果
2 擴散器系統產生的光圖樣強度分布
傳輸器提取
2 雙擊光路徑圖中的Stored Transmission打開編輯對話框
傳輸器(transmission)提取
2 點擊Show按鈕顯示光路中的transmission.
展開 衍射光學元件光束整形、分束和擴散
衍射光學元件光整形
光學軟件VirtualLab可以用來設計和模擬用于激光光束整形的衍射光學元件。衍射光學工具箱使用強大的迭代傅里葉變換算法（IFTA）和參數優化可以用來優化：
? 衍射光學元件
? 衍射光束分束器
? 衍射擴散器
? 衍射和折射光束整形器
? 計算全息（CGH）
? 相位板
? 全息圖
被紅色和綠色激光照射的衍射線擴散器和環擴散器
衍射光學元件可以用包括聚焦透鏡，準直透鏡，光束擴展器和傅立葉透鏡來建模。光學模擬包括：
? 衍射
? 干涉
? 偏振
? 時間和空間相干度
? 強度
? 相位
? 像差
衍射光學元件可以用于各種光學系統來操縱激光，經典的應用包括：
? 材料處理
? 信息顯示
? 測量系統
? 自由空間通訊
? 汽車行業
? 軍事
? 光譜學
衍射光分束器產生的光斑 (由POG, Gera加工)
功能
衍射光學元件在您的激光系統中將會有以下功能：
? 控制衍射和干涉效應
? 客戶自定義激光光束分束后的每束光的功率
? 設計已確定特性的散射板
? 激光光束強度整形
? 使激光系統緊湊
? 產生任意的2D強度分布
? 使用IFTA快速優化成百上千個參數
一個衍射光分束器元件的一個周期的二元高度輪廓
衍射光分束器
衍射光束分束器可以將一束激光分成自定義數目的光束，每束光可以有自定義的功率和角度。光分束器一般和準直透鏡，聚焦透鏡，擴束器以及傅里葉透鏡一起使用。目標平面光束的尺寸一般由透鏡系統控制，而光束的位置和功率由衍射光束分束器控制。
展開 衍射及微納光學系統的分析、設計與加工技術
課程大綱：
1.波動光學基礎
□ 雙光束干涉及楊氏干涉
□ 相干及非相干光源的傳播特性
□ 衍射光學與傅里葉變換
2.衍射元件概述
□ 衍射光學元件概念
□ 衍射光學元件優點
□ 光束分束、整形、擴散
□ 傅里葉變換
□ 角譜理論
□ 工作裝置類型
3.衍射光學元件理念及設計
□ 基本理念
□ 透鏡和衍射光學元件的作用
□ 分束、整形和擴散的實質
□ 衍射光學元件的特征尺寸
□ 衍射光學元件優化設計方法
4.IFTA簡介
□ 基本設計步驟
□ 光學系統結構——1f、2f、Fresnel、Far-field、角譜
□ 參數估算——周期和線寬的估算
□ 光學系統分辨率——不同結構的分辨率
□ 配置設計過程的優化評價函數
5.衍射元件設計案例
□ 衍射分束器參數選擇
□ 衍射分束器設計流程：規則和任意形狀
□ 衍射整形器參數選擇
□ 衍射整形器設計流程：1D和2D平頂型
□ 衍射擴散器參數選擇
□ 衍射擴散器設計流程：平頂型和任意圖案
6.光柵模擬分析
□ 構建stack
□ 調整模擬參數——精度因子和衍射級次
□ 近場分析、衍射效率分析、內部場分析
□ 2D光柵表面鍍膜分析
□ 3D表面具有減反結構的光柵分析
□ 光柵單元陣列及透鏡陣列的建模與分析
7.光柵概述
□ 2D和3D光柵,亞波長光柵,及二元光學元件
□ 標量衍射和傅里葉變換
□ 矢量衍射和傅里葉模態法
□ 納米光學元件的應用：抗反射、偏振控制、成像、傳感等
8.微納光學元件制作
□ 多階器件加工
□ 連續器件加工
□ 傳統套刻法
□ 激光直寫法
□ 納米光子器件制作概述
□ 衍射光學元件公差分析
9.答疑
展開 
利用ZPL計算衍射光學元件（DOE）的表面輪廓
利用ZPL計算衍射光學元件（DOE）的表面輪廓
利用 ZPL 計算衍射光學元件（DOE）的表面輪廓
介紹
本文ZPL宏可用于計算旋轉對稱 Kinoform 透鏡表面（OpticStudio 中為 Binary2 面型）的相位（phase）以及矢高（Sag）。使用者需在運行宏前輸入半徑（Radius）每隔多長時間重復計算一次，之后宏會計算出每個半徑值對應的矢高并給出相應的衍射區域編號（Zone number）、步長（Step Size）、每個區域所在的位置半徑（Zone Radius）、每個區域內/外半徑矢高（Sag with inner/outer radius）。除此以外，該宏還會計算出每個區域的輪廓頻率（Profile Frequency，單位為waves/mm）作為生產難易的評估參數。
表面矢高的一般形式如下：
其中 C=1/R，R為半徑；K為圓錐系數；ρ 為徑向坐標；A2,4,6,8…為非球面系數。λ 為波長；N為透鏡折射率；C2,4,6,8…為相位系數。
步長（Step Height）計算公式如下：
衍射光學元件（DOE）表面輪廓如下，單位為弧度:
其中 R 為歸一化半徑。
典型的衍射光學元件輪廓如下：
輸入
輸入表面編號以及迭代半徑間隔就可以計算出表面矢高。如下圖所示：
輸出
宏會輸出區域編號（Zone number）、步長（Step Size）、每個區域所在的位置半徑（Zone Radius）、每個區域內/外半徑矢高（Sag with inner/outer radius）以及輪廓頻率（Profile Frequency）。
展開 Ansys Zemax | 設計衍射光學元件（DOE）和超透鏡（metalens）
詳細解釋了使用相位面來模擬衍射光學的概念。我們還提供了3個 DLLs 供用戶下載。這些 DLL 是為模擬特殊的衍射光學情形而定制的，目前 OpticStudio 的原生表面類型不支持這些衍射光學情形。
參考文獻
[1] Chen, W.T., Zhu, A.Y. & Capasso, F. Flat optics with dispersion-engineered metasurfaces. Nat Rev Mater 5, 604–620 (2020). https://doi.org/10.1038/s41578-020-0203-3
[2] Faraji-Dana, M., Arbabi, E., Arbabi, A. et al. Compact folded metasurface spectrometer. Nat Commun 9, 4196 (2018). https://doi.org/10.1038/s41467-018-06495-5
[3] https://support.lumerical.com/hc/en-us/articles/360042097313-Metalens-Zemax-Interoperability
[4] Anna Nemes-Czopf, Dániel Bercsényi, and Gábor Erdei, “Simulation of relief-type diffractive lenses in ZEMAX using parametric modelling and scalar diffraction,” Appl.
展開 光學孔徑設計受衍射影響？OAS軟件案例來解決
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。
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 