傅里葉變換算法的案例
VirtualLab：自由空間傳播算子中傅里葉變換技術的自動選擇
結合不同的傅里葉變換技術，它為自由空間傳播的不同情況提供了數值有效的解決方案。根據具體情況自動選擇合適的傅里葉變換算法。
自由空間傳播算子的概念
VirtualLab Fusion中有效的傅里葉變換技術
例1:球面波的傳播
建模任務
仿真結果：焦平面上
仿真結果：略超過焦平面
仿真結果：遠離焦平面
例2：截斷平面波的傳播
仿真結果：近場平面
仿真結果：中間平面
仿真結果：遠場平面
文件信息
幾何傅里葉變換
Frank Wyrowski* and Christian Hellmann**
*Applied Computational Optics Group, Institut fur Angewandte Physik, Friedrich-Schiller-Universitat Jena
**Wyrowski Photonics UG
mailto:frank.wyrowski@uni-jena.de
在系統的不同平面上，電磁場分量的傅里葉變換是連接空間域和k域的物理光學建模中的頻繁操作。我們介紹一個場所謂的幾何區域，在該區域中傅里葉變換可以在不進行積分的情況下得到，總之是以非常有效的數值方式得到。在幾何場域中，場由波前相位控制，因此允許我們將穩定相位的概念應用于傅里葉變換積分，我們將所得到的傅里葉變換算法稱為幾何傅立葉變換，這項技術被證明是快速物理光學的基礎支柱。
1.光學傅立葉變換
在物理光學中，我們處理電磁場的六個復數場分量（分別為E和H）。在空間域，他們表示為
其中 ，傅立葉變換到k域定義為
（2）
其中，我們使用符號
(3)
方程2中積分的數值評估需要對a和k域中的場進行取樣，我們用N表示采樣點的數量，所得的離散傅里葉變換構成了N2運算。然而快速傅里葉變換（FFT）算法在N中是線性的，這在原理上使快速物理光學建模成為可能，但FFT需要的采樣。在光學中，我們通常有強梯度的相位函數，從而導致很大的N值，只有在十分對稱的光學系統中，N才可以很小。因此，盡管FFT在N中是線性的，但是我們很容易在光學上遇到N太大而不能進行快速計算傅里葉變換的問題，這是快速物理光學概念的嚴重阻礙。
展開 [VirtualLab] 幾何傅里葉變換
Frank Wyrowski* and Christian Hellmann**
*Applied Computational Optics Group, Institut fur Angewandte Physik, Friedrich-Schiller-Universitat Jena
**Wyrowski Photonics UG
mailto:frank.wyrowski@uni-jena.de
在系統的不同平面上，電磁場分量的傅里葉變換是連接空間域和k域的物理光學建模中的頻繁操作。我們介紹一個場所謂的幾何區域，在該區域中傅里葉變換可以在不進行積分的情況下得到，總之是以非常有效的數值方式得到。在幾何場域中，場由波前相位控制，因此允許我們將穩定相位的概念應用于傅里葉變換積分，我們將所得到的傅里葉變換算法稱為幾何傅立葉變換，這項技術被證明是快速物理光學的基礎支柱。
1.光學傅立葉變換
在物理光學中，我們處理電磁場的六個復數場分量（分別為E和H）。在空間域，他們表示為
其中 ，傅立葉變換到k域定義為
（2）
其中，我們使用符號
(3)
方程2中積分的數值評估需要對a和k域中的場進行取樣，我們用N表示采樣點的數量，所得的離散傅里葉變換構成了N2運算。然而快速傅里葉變換（FFT）算法在N中是線性的，這在原理上使快速物理光學建模成為可能，但FFT需要的采樣。在光學中，我們通常有強梯度的相位函數，從而導致很大的N值，只有在十分對稱的光學系統中，N才可以很小。因此，盡管FFT在N中是線性的，但是我們很容易在光學上遇到N太大而不能進行快速計算傅里葉變換的問題，這是快速物理光學概念的嚴重阻礙。
展開 幾何傅里葉變換.
Frank Wyrowski* and Christian Hellmann**
*Applied Computational Optics Group, Institut fur Angewandte Physik, Friedrich-Schiller-Universitat Jena
**Wyrowski Photonics UG
mailto:frank.wyrowski@uni-jena.de
在系統的不同平面上，電磁場分量的傅里葉變換是連接空間域和k域的物理光學建模中的頻繁操作。我們介紹一個場所謂的幾何區域，在該區域中傅里葉變換可以在不進行積分的情況下得到，總之是以非常有效的數值方式得到。在幾何場域中，場由波前相位控制，因此允許我們將穩定相位的概念應用于傅里葉變換積分，我們將所得到的傅里葉變換算法稱為幾何傅立葉變換，這項技術被證明是快速物理光學的基礎支柱。
1.光學傅立葉變換
在物理光學中，我們處理電磁場的六個復數場分量（分別為E和H）。在空間域，他們表示為
其中 ，傅立葉變換到k域定義為
（2）
其中，我們使用符號
(3)
方程2中積分的數值評估需要對a和k域中的場進行取樣，我們用N表示采樣點的數量，所得的離散傅里葉變換構成了N2運算。然而快速傅里葉變換（FFT）算法在N中是線性的，這在原理上使快速物理光學建模成為可能，但FFT需要的采樣。在光學中，我們通常有強梯度的相位函數，從而導致很大的N值，只有在十分對稱的光學系統中，N才可以很小。
展開 
[VirtualLab] 傅里葉變換設置——實例討論
在本文中，我們將通過不同實例的討論來示范如何對VirtualLab Fusion中有三種傅里葉變換算法進行設置。
2. 三種傅里葉變換
? 快速傅里葉變換(FFT)
- 對于不同數值計算，一種標準而高效的算法。
? 半解析傅里葉變換(SFT)
- 一種無需近似的高效重構。
- 二次相的解析處理，類似chirp-z變換。
- 了解更多Z. Wang, et al., Opt. Express 27, 15335-15350 (2019)
? 逐點傅里葉變換(PSF)
- 受靜態相位理論啟發的一種近似方法，但采用純粹的數學形式來表達。
- 對強波前相位是一種高效而精準的方法。
- 了解更多Z. Wang, et al., Opt. Express 28, 10552-10571 (2020)
3. 每個元件的設置
? 傅立葉變換設置
- 對于每個元件和探測器，都可以使用 “傅立葉變換”選項卡。
- VirtualLab Fusion自動選擇所有激活的傅立葉變換選項；不選擇未激活的選項。
- 傅立葉變換的組合影響自由空間中向前傳播過程的建模。(這意味著不僅適用于元件前面的自由空間——它也適用于具有復雜通道配置的情況)
4. 每個元件的設置
? 傅里葉變換設置
?
5. 默認的傅里葉變換設置
? 光源模式和探測器的設置
- 對于光源模式和探測器，默認情況下將激活所有三個傅里葉變換選項。
- 在特殊情況下，對于光源模式或探測器而言，衍射可能無關緊要。
展開 傅里葉變換設置——實例討論
在本文中，我們將通過不同實例的討論來示范如何對VirtualLab Fusion中有三種傅里葉變換算法進行設置。
2. 三種傅里葉變換
? 快速傅里葉變換(FFT)
- 對于不同數值計算，一種標準而高效的算法。
? 半解析傅里葉變換(SFT)
- 一種無需近似的高效重構。
- 二次相的解析處理，類似chirp-z變換。
- 了解更多Z. Wang, et al., Opt. Express 27, 15335-15350 (2019)
? 逐點傅里葉變換(PSF)
- 受靜態相位理論啟發的一種近似方法，但采用純粹的數學形式來表達。
- 對強波前相位是一種高效而精準的方法。
- 了解更多Z. Wang, et al., Opt. Express 28, 10552-10571 (2020)
3. 每個元件的設置
? 傅立葉變換設置
- 對于每個元件和探測器，都可以使用 “傅立葉變換”選項卡。
- VirtualLab Fusion自動選擇所有激活的傅立葉變換選項；不選擇未激活的選項。
- 傅立葉變換的組合影響自由空間中向前傳播過程的建模。(這意味著不僅適用于元件前面的自由空間——它也適用于具有復雜通道配置的情況)
4. 每個元件的設置
? 傅里葉變換設置
?
5. 默認的傅里葉變換設置
? 光源模式和探測器的設置
- 對于光源模式和探測器，默認情況下將激活所有三個傅里葉變換選項。
- 在特殊情況下，對于光源模式或探測器而言，衍射可能無關緊要。
展開 快速傅里葉變換在信號處理中的應用
傅里葉變換FT（Fourier Transform）是一種將信號從時域變換到頻域的變換形式。它在聲學、信號處理等領域有廣泛的應用。計算機處理信號的要求是：在時域和頻域都應該是離散的，而且都應該是有限長的。而傅里葉變換僅能處理連續信號，離散傅里葉變換DFT（Discrete Fourier Transform）就是應這種需要而誕生的。它是傅里葉變換在離散域的表示形式。但是一般來說，DFT的運算量是非常大的。在1965年首次提出快速傅里葉變換算法FFT（Fast Fourier Transform）之前，其應用領域一直難以拓展，是FFT的提出使DFT的實現變得接近實時。DFT的應用領域也得以迅速拓展。除了一些速度要求非常高的場合之外，FFT算法基本上可以滿足工業應用的要求。由于數字信號處理的其它運算都可以由DFT來實現，因此FFT算法是數字信號處理的重要基石。
傅立葉原理表明：任何連續測量的時序或信號，都可以表示為不同頻率的正弦波信號的無限疊加。而根據該原理創立的傅立葉變換算法利用直接測量到的原始信號，以累加方式來計算該信號中不同正弦波信號的頻率、振幅和相位。如圖1所示，即為時域信號與不同頻率的正弦波信號的關系。圖中最右側展示的是時域中的一個信號，這是一個近似于矩形的波，而圖的正中間則是組成該信號的各個頻率的正弦波。從圖中我們可以看出，即使角度幾乎為直角的正弦波，其實也是由眾多的弧度圓滑的正弦波來組成的。在時域圖像中，我們看到的只有一個矩形波，我們無從得知他是由這些正弦波組成。但當我們通過傅里葉變換將該矩形波轉換到頻域之后，我們能夠很清楚的看到許多脈沖，其中頻域圖中的橫軸為頻率，縱軸為振幅。
展開 高數值孔徑衍射分束器設計
案例386（1.0）
關鍵詞：衍射光學元件、DOE、高數值孔徑，畸變補償，幾何畸變，枕形，桶形，強度衰減，功率、陡降、損耗、預備信號場、光圖形、迭代傅里葉變換算法、IFTA、模組、分束器、衍射
1. 摘要
? 通過該案例闡述了如何利用迭代傅里葉變換算法進行高數值孔徑衍射分束器設計。
? 通過來分束器可以生成一個5x5規則的點陣圖形。
? 然而，由于偏轉角較大使得目標平面上這個規則的5x5點陣圖案產生了一個形變。
? 可以利用VirtualLab 模塊 Mod014 在迭代傅里葉變換算法設計中預補償該圖形的形變。
2. 設計任務：規則的5×5光束分束器
? 設計衍射分束器用于在衍射元件遠場生成規則的高數值孔徑光圖形。
? 最大衍射角(水平/豎直)：α=β=22.3°
? 最大衍射角(對角線)=30.1°
3. 設計任務
? 光源參數：
— 高斯光源波長：532nm
— 光束直徑(1/e2)：80um
? 系統參數：
— 衍射元件到屏幕距離：z=0.3m
? 期望輸出場：
— 期望點圖形：規則圖形，5×5的點陣
— 級次間距：49.2mm
— 目標圖案依據示例文件
“Sc386_TargetPattern_1.ca2”
? DOE參數：
— 僅改變位相的衍射光學元件
— 離散DOE的位相階數：4
4. 點圖形的變形
? 衍射元件通常是在等間距的計算網格上利用角譜域的迭代傅里葉變換算法完成設計。
? 對于非近軸衍射元件，衍射角和光軸上點的橫向距離之間沒有線性關系。
? 對于非近軸衍射角，期望點位置與最終獲得枕形畸變的點位置之間存在一個的差異。
展開 衍射光學元件設計
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。
非近軸衍射分束器的設計與優化
為了說明一般工作流程，我們展示了兩個案例：在第一個案例中，我們采用迭代傅里葉變換算法(IFTA)和基于薄元近似（TEA）的結構設計生成一系列分束器的初始設計，然后通過傅里葉模態法或嚴格耦合波分析(FMM/RCWA)進一步優化。為了給最后一個優化步驟定義一個合適和有效的優化函數，應用了可編程光柵分析器。第二個示例更詳細地介紹了這一部分。
非近軸衍射分束器的嚴格分析
采用傅里葉模態法(FMM)對非近軸衍射分束器進行了嚴格的評價，該方法最初采用迭代傅里葉變換算法(IFTA)和薄元近似算法(TEA)進行設計。
高數值孔徑分束器優化與用戶定義的優化函數
這個應用案例演示了如何定義和使用用戶自定義優化函數，用于評估和優化衍射高數值孔徑分束器的衍射級次效率。
展開 半解析快速傅里葉變換
我們提出了一種處理傅里葉變換的方法，其并不需要二次多項式相位項的抽樣，而是用解析的方法處理。我們提出該理論的同時也給出了幾個例子證明其潛力。
1.簡介
物理光學建模需要頻繁地從空間轉換到角頻域，反之亦然。這可以由電場和磁場分量的傅里葉變換得到。所以，快速傅里葉變換（FFT）算法成了快速物理光學建模的支柱[1]。FFT技術的數值計算量與場分量復振幅所需采樣點的數量近似成線性關系。在光學中，我們經常處理有強波陣面相位的場分量，例如：球形。但是由于2π模，平滑的波陣面相位的復抽樣導致了大量的數值計算工作，甚至在FFT中也是如此。
2.理論2.1 場的表征：提取二次相位
我們從空間域的符號開始，在本文中我們使用符號
對應6個場分量，也就是V = (E, H)：
(1)
在公式1中，我們假設場|
有兩部分：衍射場
和一個平滑的波陣面相位exp(iψ(ρ))。對于得到的結果，我們從波陣面相位中提取二次相位exp(iψ(ρ))并且將余下的部分認為是余項場
。假設exp(iψ(ρ))可由其實數系數C和D = (Dx, Dy)給出：
(2)顯然，在強二次相位情況中，全場
比余項場需要更多的抽樣量。所以，我們的目標是通過FFT且無二次相位項exp(iψ(ρ))抽樣的情況下，計算V?(ρ)的傅里葉變換。
2.2.半解析傅里葉變換
從卷積定理可知： (3)
通常來說，項
必須進行數值計算處理。另一方面，從數學角度[2]我們可知：
(4)
適用于任何復
，只要R{a} ≥ 0且a ≠ 0。
展開 
半解析快速傅里葉變換
我們提出了一種處理傅里葉變換的方法，其并不需要二次多項式相位項的抽樣，而是用解析的方法處理。我們提出該理論的同時也給出了幾個例子證明其潛力。
1.簡介
物理光學建模需要頻繁地從空間轉換到角頻域，反之亦然。這可以由電場和磁場分量的傅里葉變換得到。所以，快速傅里葉變換（FFT）算法成了快速物理光學建模的支柱[1]。FFT技術的數值計算量與場分量復振幅所需采樣點的數量近似成線性關系。在光學中，我們經常處理有強波陣面相位的場分量，例如：球形。但是由于2π模，平滑的波陣面相位的復抽樣導致了大量的數值計算工作，甚至在FFT中也是如此。
2.理論
2.1 場的表征：提取二次相位
我們從空間域的符號開始，在本文中我們使用符號對應6個場分量，也就是V = (E, H)：
(1)
在公式1中，我們假設場有兩部分：衍射場和一個平滑的波陣面相位exp(iψ(ρ))。對于得到的結果，我們從波陣面相位中提取二次相位exp(iψ(ρ))并且將余下的部分認為是余項場。假設exp(iψ(ρ))可由其實數系數C和D = (Dx, Dy)給出：
(2)
顯然，在強二次相位情況中，全場比余項場需要更多的抽樣量。所以，我們的目標是通過FFT且無二次相位項exp(iψ(ρ))抽樣的情況下，計算V?(ρ)的傅里葉變換。
2.2.半解析傅里葉變換
從卷積定理可知：
(3)
通常來說，項必須進行數值計算處理。另一方面，從數學角度[2]我們可知：
(4)
適用于任何復，只要R{a} ≥ 0且a ≠ 0。
展開 [VirtualLab] 半解析快速傅里葉變換
我們提出了一種處理傅里葉變換的方法，其并不需要二次多項式相位項的抽樣，而是用解析的方法處理。我們提出該理論的同時也給出了幾個例子證明其潛力。
1.簡介
物理光學建模需要頻繁地從空間轉換到角頻域，反之亦然。這可以由電場和磁場分量的傅里葉變換得到。所以，快速傅里葉變換（FFT）算法成了快速物理光學建模的支柱[1]。FFT技術的數值計算量與場分量復振幅所需采樣點的數量近似成線性關系。在光學中，我們經常處理有強波陣面相位的場分量，例如：球形。但是由于2π模，平滑的波陣面相位的復抽樣導致了大量的數值計算工作，甚至在FFT中也是如此。
2.理論
2.1 場的表征：提取二次相位
我們從空間域的符號開始，在本文中我們使用符號對應6個場分量，也就是V = (E, H)：
(1)
在公式1中，我們假設場有兩部分：衍射場和一個平滑的波陣面相位exp(iψ(ρ))。對于得到的結果，我們從波陣面相位中提取二次相位exp(iψ(ρ))并且將余下的部分認為是余項場。假設exp(iψ(ρ))可由其實數系數C和D = (Dx, Dy)給出：
(2)
顯然，在強二次相位情況中，全場比余項場需要更多的抽樣量。所以，我們的目標是通過FFT且無二次相位項exp(iψ(ρ))抽樣的情況下，計算V?(ρ)的傅里葉變換。
2.2.半解析傅里葉變換
從卷積定理可知：
(3)
通常來說，項必須進行數值計算處理。另一方面，從數學角度[2]我們可知：
(4)
適用于任何復，只要R{a} ≥ 0且a ≠ 0。
展開 VirtualLab運用：設計和優化衍射擴散器生成2D光模式
預設IFTA優化文檔：設計
?完成輔助會話編輯器設置之后，基于迭代傅里葉變換算法（IFTA）彈出一個預設計和優化文檔。
?設計（Design）頁面允許指定每個優化步驟的迭代次數。
?點擊Start Design按鈕開始優化設計。
?如果沒有進一步改善，SNR Optimization for Quantized Transmission（量化透過率的信噪比優化）步驟將自動停止。
15.擴散器優化
?為了檢查設計擴散器透過率函數，優化之后，點擊Show按鈕。
16.優化的傳輸
?對于phase-only透過率函數，必須通過查看相位來觀察設計。
?由于衍射擴散器的優化始于隨機相位，不同的優化會生成不同的透過率相位函數。
17.擴散器分析：優化函數
?分析（Analysis）頁面允許計算最后的價值函數。
18.擴散器系統分析
進行模擬
19.設計和模擬結果
20.結論
?VirtualLab Fusion提供易于使用的工具來設計和優化衍射光擴散器元件來生成規律和任意光圖樣。
?輔助設計步驟能夠讓無經驗的設計者順利的完成衍射元件的設計。
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展開 傅里葉變換光譜儀
傅里葉變換光譜儀
傅里葉變換光譜儀（FTS）是利用干涉儀與一個平移反射鏡來產生干涉圖樣的光學儀器。干涉圖的傅里葉變換提供了光源的頻譜。由于FTS提高了測量速度、分辨率的提升和簡潔的機械結構性[1]，FTS方法通常優于單色儀。在FRED中模擬FTS并不復雜。在本案例中，在FRED中將會使用一個嵌入式腳本來創建和運行FTS模型。將會使用該模型分析三種不同的光譜。
在FRED中建立光譜儀
為了簡化過程，使用一個理想的點光源、理想的透鏡和理想的分束表面（圖1）。詳細的擴展光源、真實的鏡頭、分束器或線柵分束器可以納入其中使之用于更加實際的分析。
圖1 簡單的傅里葉變換光譜儀模型，由一個點光源、理想透鏡和具有可移動反射鏡的邁克爾遜干涉儀組成。來自光源的準直光束被送入到50/50的分束器上。反射光傳播到一個固定的反射鏡（綠色），透射光傳播到一個平移反射鏡（藍色）。來自兩個路徑的光經過分束器后重新組合，收集到的能量在（黑色）探測器處測量。
FRED模型的第一步是創建一個相干的點光源對象。接著，創建一個光譜并分配給光源。光譜可以從文本文件導入、圖片的數字化取樣或者由特定的函數（高斯或黑體）計算得到。使用FRED“lens Module”表面類型構成的“自定義元件”對象，可以創建理想透鏡，透鏡位于距離點光源10mm處。“lens Module”表面具有10mm的焦距和5mm的半孔徑。接下來，使用與準直光束成45度角的平面表面創建理想分束表面。創建了自定義“50/50”分束涂層（圖2）并應用到該表面。
圖2 自定義50/50分束涂層規格。
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