相干光模擬的案例
GLAD應用：部分相干光模擬
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GLAD
GLAD應用：部分相干光模擬
概述
一個理想的單色點光源發射的光是完全相干光。但實際物理光源不是點源，總是具有一定的空間尺度并包含眾多輻射單元，其發出的光也非嚴格的單色光,其光譜具有一定寬度，這種光即部分相干光。產生部分相干光主要有三種方法：
（1）降低激光的相干性來獲得部分相干光。用動態散射體降低激光的相干性，通過控制散射體的性質來控制散射體后光束的相干性。（2）利用Van-Citter-Zernike定理使擴展光源發出的非相干光成為部分相干光。（3）將一些互不相干的激光本征模疊加來產生部分相干光束。
系統描述
本例介紹了如何上述第二種方法來實現部分相干光的建模。如圖1所示，整體結構是一個科勒照明系統。一個聚光元件將非相干光源傳遞到轉像透鏡的入瞳處。非相干光源照亮物體掩膜面，并在最后的像面上得到適當放大的像。為了對光束合理采樣，光源放在物體掩膜的共軛面處，以便光源具有一定的尺寸，而不是理想點光源。對于具有一定尺寸的光源，它所成的像就是部分相干的。當光源大到可以填滿轉像透鏡入瞳時，其所成的像就將是非相干的。
圖1.部分相干光建模示意圖
部分相干光的建模過程為：將光源看作無數的點光源，每個點光源通過系統成像，并在成像面上進行非相干疊加。因為點光源發出的光線要通過整個系統，所以點光源的數目一定要盡量小。一個完整的相干系統只需要一個點光源，而部分相干系統可能需要10個，而非相干系統差不多要求50個。
展開 GLAD：部分相干光模擬
模擬結果
圖1.object mask的初始分布
圖2.完全相干時點光源在轉像透鏡入瞳處所成的像
圖3.完全相干時object mask所成的像
圖4.部分相干時點光源在轉像透鏡入瞳處所成的像
圖5.部分相干時object mask所成的像
圖6.完全不相干時點光源在轉像透鏡入瞳處所成的像
圖7.完全不相干時object mask所成的像
GLAD應用：部分相干光模擬
本例介紹了如何上述第二種方法來實現部分相干光的建模。如圖1所示，整體結構是一個科勒照明系統。一個聚光元件將非相干光源傳遞到轉像透鏡的入瞳處。非相干光源照亮物體掩膜面，并在最后的像面上得到適當放大的像。為了對光束合理采樣，光源放在物體掩膜的共軛面處，以便光源具有一定的尺寸，而不是理想點光源。對于具有一定尺寸的光源，它所成的像就是部分相干的。當光源大到可以填滿轉像透鏡入瞳時，其所成的像就將是非相干的。
系統描述
（1）降低激光的相干性來獲得部分相干光。用動態散射體降低激光的相干性，通過控制散射體的性質來控制散射體后光束的相干性。（2）利用Van-Citter-Zernike定理使擴展光源發出的非相干光成為部分相干光。（3）將一些互不相干的激光本征模疊加來產生部分相干光束。
一個理想的單色點光源發射的光是完全相干光。但實際物理光源不是點源，總是具有一定的空間尺度并包含眾多輻射單元，其發出的光也非嚴格的單色光,其光譜具有一定寬度，這種光即部分相干光。產生部分相干光主要有三種方法：
概述
展開 GLAD應用：部分相干光模擬
模擬結果
圖.1 object mask的初始分布
圖.2 完全相干時點光源在轉像透鏡入瞳處所成的像
圖.3 完全相干時object mask所成的像
圖.4 部分相干時點光源在轉像透鏡入瞳處所成的像
圖.5 部分相干時object mask所成的像
圖.6 完全不相干時點光源在轉像透鏡入瞳處所成的像
圖.7 完全不相干時object mask所成的像
FRED應用說明：相干光模擬
用于模擬相干性的FRED工具
■ 相干光源
FRED包括許多默認相干光源，包括：平面波、點光源和激光光束。一種詳細的光源菜單可以輕松、方便的自定義光源。
■ 高斯光線尺寸點列圖
高斯光束可以在任何平面上顯示，顯示每個基準光線和它的1/e2橢圓，便于光束發散度和采樣的分析和故障排除。
■ 光線狀態概要
顯示每一光線的狀態，使其易于進行故障排除和診斷光線的錯誤。
■ 相干場重新采樣
對標量場在空間上重新采樣可以避免相干光的錯誤和表面的采樣不足。
■ 相干場分析
顯示標量或極化矢量場的幅度、能量、相位和波前圖。
■ 波前計算
具有Zernike分解能力的波前分析和繪圖。
■ 部分相干性
對于特定的應用，可以執行部分相干光源和分析。
目錄
簡介
FRED基礎：相干性建模
鎖定FRED特點：相干場重采樣
相干光源定義
高斯光線尺寸點列圖工具
光線狀態
相干場重新采樣
相干標量場分析
FRED中部分相干性示例：衍射儀
簡介
模擬光線的相干特性非常意義的。當用FRED模擬相干系統時，用戶應該對FRED進行相干計算的方法有一個大致的了解，它是利用高斯光束分解（GBD）的一種一般形式。本應用描述了一些在使用FRED時基本的相干建模方法和注意事項，以及一個應用于ThorLabs擴束器的相干場重新采樣特性的一個示例，最后，衍射儀用于演示一個部分相干性模型。
FRED基礎：相干性建模
FRED關于激光光束的追跡采用高斯光束分解技術（Gaussian beam decomposition，GBD）來傳輸相干場，最早由Arnaud 在1969年提出，是一組高斯光束子波(beamlet)可以合成任意的復數場。
展開 GLAD應用：部分相干光模擬
模擬結果
圖.1 object mask的初始分布
圖.2 完全相干時點光源在轉像透鏡入瞳處所成的像
圖.3 完全相干時object mask所成的像
圖.4 部分相干時點光源在轉像透鏡入瞳處所成的像
圖.5 部分相干時object mask所成的像
圖.6 完全不相干時點光源在轉像透鏡入瞳處所成的像
圖.7 完全不相干時object mask所成的像
GLAD：部分相干光模擬
概述
一個理想的單色點光源發射的光是完全相干光。但實際物理光源不是點源，總是具有一定的空間尺度并包含眾多輻射單元，其發出的光也非嚴格的單色光,其光譜具有一定寬度，這種光即部分相干光。產生部分相干光主要有三種方法：
（1）降低激光的相干性來獲得部分相干光。用動態散射體降低激光的相干性，通過控制散射體的性質來控制散射體后光束的相干性。（2）利用Van-Citter-Zernike定理使擴展光源發出的非相干光成為部分相干光。（3）將一些互不相干的激光本征模疊加來產生部分相干光束。
系統描述
本例介紹了如何上述第二種方法來實現部分相干光的建模。如圖1所示，整體結構是一個科勒照明系統。一個聚光元件將非相干光源傳遞到轉像透鏡的入瞳處。非相干光源照亮物體掩膜面，并在最后的像面上得到適當放大的像。為了對光束合理采樣，光源放在物體掩膜的共軛面處，以便光源具有一定的尺寸，而不是理想點光源。對于具有一定尺寸的光源，它所成的像就是部分相干的。當光源大到可以填滿轉像透鏡入瞳時，其所成的像就將是非相干的。
圖1.部分相干光建模示意圖
部分相干光的建模過程為：將光源看作無數的點光源，每個點光源通過系統成像，并在成像面上進行非相干疊加。因為點光源發出的光線要通過整個系統，所以點光源的數目一定要盡量小。一個完整的相干系統只需要一個點光源，而部分相干系統可能需要10個，而非相干系統差不多要求50個。
展開 使用相干光模擬馬赫澤德干涉儀
系統說明
? 光源
— 氦氖激光器(波長632.8nm；相干長度>1m)
? 元件
— 分束器和合束器，消色差準直透鏡系統，位相延遲器，待測球面透鏡
? 探測器
— 干涉條紋
? 建模/設計
— 光線追跡：初始系統概覽
— 幾何場追跡加(GFT+)：
? 計算干涉條紋。
? 分析對齊誤差的影響。
2. 系統說明
參考光路
3. 建模/設計結果
4. 總結
馬赫澤德干涉儀的干涉圖樣的計算
1. 仿真
以光線追跡對干涉儀的仿真。
2. 計算
采用幾何場追跡+引擎以計算干涉圖樣。
3. 研究
不同對齊誤差在干涉圖上的影響，如傾斜和偏移
利用VirtualLab軟件可對馬赫澤德干涉儀生成的干涉圖案進行研究分析。
應用示例詳細內容
系統參數
1. 仿真任務：馬赫澤德干涉儀
? 通過使用這種干涉儀設置，可測量兩完全相同光束線間的相對相移。
這使得可以對一個樣品元件引起的相移進行研究。
2. 說明：光源
? 使用一個頻率穩定、單模氦氖激光器。
? 因此，相干長度大于1m
? 此外，由于發散角很小，所以不需要額外的準直系統。
? 在入射干涉儀之前，高斯波以瑞利長度傳播。
3. 說明：光源
? 采用一個放大因子為3的消色差擴束器。
? 擴束器的設計是基于伽利略望遠鏡。
? 因此，在光學表面序列(OIS)中結合了一個擴束和準直系統。
? 與開普勒望遠鏡相比，在擴束系統中不會成實像。
4. 說明：光學元件
? 在參考光路中設置一個位相延遲平板。
? 位相延遲平板材料為N-BK7。
展開 【VirtualLab運用】使用相干光模擬馬赫澤德干涉儀
測量系統(MSY.0001 v1.1)
應用示例簡述
1.系統說明
?光源
—氦氖激光器(波長632.8nm；相干長度>1m)
?元件
—分束器和合束器，消色差準直透鏡系統，位相延遲器，待測球面透鏡
?探測器
—干涉條紋
?建模/設計
—光線追跡：初始系統概覽
—幾何場追跡加(GFT+)：
?計算干涉條紋。
?分析對齊誤差的影響。
2.系統說明
參考光路
3.建模/設計結果
4.總結
馬赫澤德干涉儀的干涉圖樣的計算
1.仿真
以光線追跡對干涉儀的仿真。
2.計算
采用幾何場追跡+引擎以計算干涉圖樣。
3.研究
不同對齊誤差在干涉圖上的影響，如傾斜和偏移
利用VirtualLab軟件可對馬赫澤德干涉儀生成的干涉圖案進行研究分析。
應用示例詳細內容
系統參數
1.仿真任務：馬赫澤德干涉儀
?通過使用這種干涉儀設置，可測量兩完全相同光束線間的相對相移。
這使得可以對一個樣品元件引起的相移進行研究。
2.說明：光源
?使用一個頻率穩定、單模氦氖激光器。
?因此，相干長度大于1m
?此外，由于發散角很小，所以不需要額外的準直系統。
?在入射干涉儀之前，高斯波以瑞利長度傳播。
3.說明：光源
?采用一個放大因子為3的消色差擴束器。
?擴束器的設計是基于伽利略望遠鏡。
?因此，在光學表面序列(OIS)中結合了一個擴束和準直系統。
?與開普勒望遠鏡相比，在擴束系統中不會成實像。
展開 FRED案例展示：部分相干光的應用--天文光干涉儀
實現這個目的的一種方法是產生一對相干的平面波光源：一個光源就位于M1之前，另一個就位于M2之前。每個光源都有基于光源光譜的合適的波長和相對功率，并且在提供的角度直徑內的任意方向傳播。一旦所有的光源創建好，相干光線追跡就會執行。在探測器平面上的輻照度和彩色圖會得到計算并顯示出來。
為了模擬邁克爾遜恒星干涉儀的運行，額外的循環可以添加到腳本中，它會在每一步掃描反射鏡間距并計算條紋可見度。條紋可見度的第一個極小值會出現在d=λ0/(2θ)處，其中λ0是恒星（發光）的中心波長，θ是以度為單位的角距。
圖 3.運行嵌入式腳本
圖 4.運行腳本之后創建的光源
圖 5.輻照度計算結果
圖 6.彩色圖計算結果
展開 使用部分相干光的楊氏干涉實驗
雙縫干涉實驗最初由Thomas Young在19世紀初進行，它顯示了光的波動性質，是空間相干測量的重要技術。在VirtualLab Fusion中，我們用單點光源和擴展光源復現了Young的實驗。我們通過檢查干涉條紋對比度的變化來研究擴展源的相干特性。
楊氏干涉實驗
在 VirtualLab Fusion中,我們復現了著名的楊氏干涉實驗，并檢驗了狹縫寬度、狹縫距離以及使用擴展源的影響。
編程一個雙縫函數
給出了一個用于定義雙狹縫函數的示例片段，該函數具有可自定義的狹縫寬度和狹縫之間的距離。
[NEWSLETTER] 使用部分相干光的楊氏干涉實驗
雙縫干涉實驗最初由Thomas Young在19世紀初進行，它顯示了光的波動性質，是空間相干測量的重要技術。在VirtualLab Fusion中，我們用單點光源和擴展光源復現了Young的實驗。我們通過檢查干涉條紋對比度的變化來研究擴展源的相干特性。
楊氏干涉實驗
在 VirtualLab Fusion中,我們復現了著名的楊氏干涉實驗，并檢驗了狹縫寬度、狹縫距離以及使用擴展源的影響。
編程一個雙縫函數
給出了一個用于定義雙狹縫函數的示例片段，該函數具有可自定義的狹縫寬度和狹縫之間的距離。
For more information send a message to: support@infotek.com.cn / support@infocrops.com
展開 VirtualLab運用：使用相干光的馬赫-澤德干涉儀
光學測量＞干涉測量
任務/系統描述
亮點
? 在光線追跡分析與高速物理光學建模間簡單轉換
? 相干效應以及干涉圖案的高速仿真
說明：光源
說明：擴束器
說明：分束器
說明：反射鏡
說明：相位延遲元件
說明：研究對象
說明：探測器
結果：3D光線追跡
結果：光線追跡
結果：場追跡（偽彩色視圖）
結果：場追跡（真彩色視圖）
結果：傾斜透鏡的場追跡
結果：橫向移動透鏡的場追跡
VirtualLab運用：使用相干光的馬赫-澤德干涉儀
光學測量＞干涉測量
任務/系統描述
亮點
?在光線追跡分析與高速物理光學建模間簡單轉換
?相干效應以及干涉圖案的高速仿真
說明：光源
說明：擴束器
說明：分束器
說明：反射鏡
說明：相位延遲元件
說明：研究對象
說明：探測器
結果：3D光線追跡
結果：光線追跡
結果：場追跡（偽彩色視圖）
結果：場追跡（真彩色視圖）
結果：傾斜透鏡的場追跡
結果：橫向移動透鏡的場追跡
ZEMAX軟件技術應用專題：如何為光學相干斷層掃描系統建模
光學相干斷層掃描（OCT）是一種斷層成像系統，可以根據從圖像反射或散射的光生成橫截面或三維圖像。 醫用組織成像是該系統的最典型應用，因為OCT安全且具有高分辨率，儘管光可以穿透的深度限制在毫米量級。
OCT測量系統依賴於邁克森干涉儀 (Michelson interferometer)，使得從參考物反射的光與樣品之間的相干性表明散射光源自樣品中與參考鏡的位置相對應的深度。
本文將逐步介紹如何在OpticStudio中創建商業上可用的OCT模型。
模型系統
健康人眼的角膜和虹膜（A）以及視網膜組織（B）的橫截面圖像如下所示。 顏色變化對應於返迴光強度的變化。 這表明發生了重大變化。
代表性的OCT系統如下所示。 光束應均勻地分成兩臂，其中一個在樣品體積上會聚，以最小化給定掃描的照射面積。 光源應為一束準直的寬帶光束；大帶寬意味著低相干性和高精度定位產生相干性的深度。
深度掃描也稱為軸向掃描或A掃描，它根據反射到樣品中的距離來測量反射光的強度。 儘管它在OCT系統的類型之間有所不同，但深度掃描通常由參考鏡執行，以使樣品返回的光對應於樣品和參考之間的特定光程差（OPD）。 透過以x或y方向旋轉掃描鏡來執行橫向，橫向或b掃描，從而在整個樣品區域上平移探測光束。
我們從商用OCT系統中獲取目標規格。 軸向分辨率完全來自光源特性，應在5μm的數量級上。 來自樣品處光束半徑的橫向分辨率應為15μm。800 nm範圍內的光將用於避免組織中的高吸收，這會限制穿透。
光源規格
OCT將干涉測量技術與寬帶近紅外光結合使用。 較寬的帶寬可提供最佳分辨率，而波長選擇可確定樣品材料中的穿透深度。
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