衍射效率分析的案例
Ansys Zemax | 利用 Kogelnik 方法模擬體全息光柵的衍射效率
本文介紹了OpticStudio 21.1中新的原生體全息模擬功能，此功能考慮到全息光柵的物理特性，在序列模式下對其進行全面模擬和分析。同時，也示范使用現有DLL在非序列模式下展示相同的功能。這些分析對于設計虛擬現實（VR）和增強現實（AR）的頭戴型顯示器（HMD）和抬頭顯示器（HUD）等系統非常重要。
本文解釋了模型中使用的理論和參數，并介紹了5個系統范例。
序列模式的體全息在OpticStudio的所有版本上都可以使用，但是衍射效率分析只有訂閱制才能使用。DLL是訂閱制旗艦版本的功能。
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簡介
體全息在許多類型的光學系統中很受歡迎，例如：抬頭顯示器（HUD）、增強現實（AR）和虛擬現實（VR）的頭戴式顯示器（HMD）。全息能夠將光線衍射到任何所需的角度，其波長和角度的選擇性使其能夠創造更輕、更緊密的光學系統。
OpticStudio長期以來一直支持理想全息的模擬。然而，為了準確地說明體全息的特性，除了考慮衍射光線的傳播方向外，還必須考慮衍射效率、材料收縮或折射率變化等因素。考慮衍射效率使用戶能夠進行圖像模擬和綜合優化等高級分析。
表面浮雕光柵與體全息光柵的比較
在介紹這個模型之前，我們先簡單解釋一下表面浮雕光柵（SRG）和體全息光柵（VHG）的區別。這兩種光柵在光學系統中的作用幾乎是一樣的，但在制造和模擬方面卻有很大的不同。
圖 1. （a） 表面浮雕光柵 （b） 體全息光柵
圖1（b）所示的VHG是通過在感光材料薄膜上曝光兩個或多個光束來制造。然后將薄膜進行化學或熱顯影：這就是光柵。光柵上的表面是光滑的，但光柵內部的折射率是正弦調變的。為了對VHG進行建模，需要使用高效的Kogelnik理論或嚴格耦合波分析（RCWA）等算法。
展開 三維（3D）光柵建模教程
配置傅里葉模態法（FMM），在傳播方法(Propagation Methods)標簽下，點擊”編輯”(Edit)進入FMM配置窗口，選擇衍射級數目(Number of Diffraction Orders)。衍射級數目表示使用FMM方法時所考慮計算的衍射級次總數。
9. 如何選擇衍射級數目？新建參數遍歷(New Parameter Run)，將衍射級數目設置為變量，逐步增加衍射級數目，使用光柵衍射效率分析器(Grating Efficiency Analyzer)確定要獲得真實可信的結果（衍射效率達到收斂時）所需要用到的衍射級數目。操作如下圖：
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
PS：由反射率和迭代步數之間的曲線圖可以看出，當衍射級次數為21時，計算的結果趨于穩定，即結果收斂
10. 調整衍射級數目，進入光柵編輯窗口中的傳播(Propagation)子界面，將X和Y方向上的的衍射級數目都改為21
11. 進行近場計算，通過點擊Go! ，計算光柵的透射場和反射場
左邊為以鉻介質構建的三維光柵透射場，右邊為反射場
12. 光柵效率計算，雙擊 ，進入光柵衍射效率分析器（Grating Efficiency Analyzer (3D)），設置如下
13. 將模擬類型改成光柵衍射效率分析器，點擊Go，開始進行光柵效率計算
光柵衍射效率分析器計算結果：左邊為透射效率，右邊為反射效率
三維光柵總的反射效率，透射效率以及吸收率
展開 Techwiz LCD 3D：衍射效率分析
Techwiz LCD 3D現在可以分析遠場的衍射效率。 不僅可以分析具有各種折射率或重復圖案的光柵結構的衍射特性，還可以分析由液晶行為引起的相位光柵的衍射特性。
*以上測量結果參考以下已發表論文：
H. Chen et al. “A Low Voltage Liquid Crystal Phase Grating with Switchable Diffraction Angles,” Sci. Rep. 7.39923 (2017).
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 
高衍射效率的偏振無關透射光柵的分析與設計
這使得設計的具有高衍射效率的光柵難以用于任意偏振。 根據文獻[T. Clausnitzer, et al，Proc. SPIE 5252,174-182（2003）]中報道的概念，我們展示了如何嚴格分析光柵的偏振相關特性，以及如何使用參數優化來設計具有高衍射效率的偏振無關光柵。
摘要
Techwiz LCD 3D：衍射效率分析
Techwiz LCD 3D現在可以分析遠場的衍射效率。 不僅可以分析具有各種折射率或重復圖案的光柵結構的衍射特性，還可以分析由液晶行為引起的相位光柵的衍射特性。
*以上測量結果參考以下已發表論文：
H. Chen et al. “A Low Voltage Liquid Crystal Phase Grating with Switchable Diffraction Angles,” Sci. Rep. 7.39923 (2017).
高衍射效率的偏振無關透射光柵的分析與設計
這使得設計的具有高衍射效率的光柵難以用于任意偏振。 根據文獻[T. Clausnitzer, et al，Proc. SPIE 5252,174-182（2003）]中報道的概念，我們展示了如何嚴格分析光柵的偏振相關特性，以及如何使用參數優化來設計具有高衍射效率的偏振無關光柵。
設計任務
光柵特性與參數的嚴格分析
不同光柵周期的衍射效率
考慮光柵周期的選擇
偏振相關衍射特性
偏振相關衍射特性
偏振相關衍射特性
基于參數優化的光柵設計
具有固定周期的二維參數優化
二維參數優化 - 設計＃1
二維參數優化 - 設計＃2
制造公差分析 - 設計＃2
不同光柵周期的三維參數優化
制造公差分析
走進VirtualLab Fusion
VirtualLab Fusion 工作流程
VirtualLab Fusion技術
文件信息
進一步閱讀
- 超稀疏介質納米線柵偏振器
- 嚴格分析納米柱超表面構件
- 傾斜光柵的參數優化和公差分析
展開 VirtualLab Fusion高衍射效率的偏振無關透射光柵的分析與設計
這使得設計的具有高衍射效率的光柵難以用于任意偏振。 根據文獻[T. Clausnitzer, et al，Proc. SPIE 5252,174-182（2003）]中報道的概念，我們展示了如何嚴格分析光柵的偏振相關特性，以及如何使用參數優化來設計具有高衍射效率的偏振無關光柵。
設計任務
光柵特性與參數的嚴格分析
不同光柵周期的衍射效率
考慮光柵周期的選擇
偏振相關衍射特性
偏振相關衍射特性
偏振相關衍射特性
基于參數優化的光柵設計
具有固定周期的二維參數優化
二維參數優化 - 設計＃1
二維參數優化 - 設計＃2
制造公差分析 - 設計＃2
不同光柵周期的三維參數優化
制造公差分析
走進VirtualLab Fusion
VirtualLab Fusion 工作流程
VirtualLab Fusion技術
文件信息
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
摘要：整體效率和圖像均勻性是增強現實顯示的重要評判標準。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%。
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
摘要 ：整體效率和圖像均勻性是增強現實顯示的重要評判標準。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%。
展開 VirtualLab矩形組合光柵建模
(1)
(2)
(3)
(4)
圖11：使用VirtualLab光柵工具箱進行建模步驟10)示意圖
11) 進行近場分析：
(1)
(2)透射場振幅分布 (3)反射場振幅分布
圖12：使用VirtualLab光柵工具箱進行建模步驟11)示意圖
12) 雙擊 ，進入光柵衍射效率分析器編輯窗口(Edit Grating Efficiency Analyzer)，并做如下圖設置。
圖13：使用VirtualLab光柵工具箱進行建模步驟12)示意圖
13) 點擊 ，進行光柵衍射效率分析，獲取各級次的效率以及總的效率，如下圖：(1)極坐標表示形式；(2)不同級次所對應的角度與衍射效率圖；(3)總的反射、透射效率以及吸收率。
(1)
(2)
(3)
圖14：使用VirtualLab光柵工具箱進行建模步驟13)示意圖
14) 在光路流程圖(Light Path Diagram)中添加元件內部場分析器(Field Inside Component Analyzer: FMM)進行內部場分析：參數設置如圖15(1)(2)，結果圖為(3)(4)
(1)
(2)
點擊 ，計算組合光柵內部Ex和Ez的振幅分布。
展開 
[VirtualLab Fusion ]光柵區域衍射級數和效率的規范
在這個用例中，我們專注于光柵相關方面的配置：選擇要模擬的光柵級次以及其確定效率的不同機制（理想化或嚴格化）。
2.建模任務
3.系統計算
4.區域定義
5.選擇光柵級次和仿真
光柵階定義
理想和真實光柵的效率設置
1.理想光柵效率設置
所有級次的光柵效率設置
2.可編程效率設置
所有級次的光柵效率設置
?效率的可編程選項使用與恒定選項相同的假設（參見前文），以便根據效率值建立矢量行為。
?然而，可編程模式使用戶可以更靈活地分配效率值，該值取決于其他系統參數，如波長、入射平面波方向和其他用戶定義的全局參數。
?編輯按鈕打開源代碼編輯器以輸入相應的代碼片段。它還帶有一個有效性指示器和其他選項卡，例如，可以聲明附加參數（以多種數據格式）以供后續在代碼中使用。
3.實際光柵效率設置
?在對真實光柵運行一次模擬后，關于該光柵如何變換輸入場的計算信息會自動存儲在查找表 (LUT) 中，因此不必重復相同的（可能在數值上成本高昂）模擬。
?如果任何可能影響光柵響應的系統參數被修改（波長、平面波方向），當再次運行模擬時，新信息會添加到 LUT。
?可以保存計算出的查找表，以便以后在采用相同光柵和配置的相同或不同系統中使用
4.真實光柵結構的配置
5.場追跡仿真
6.文檔信息
展開 光譜儀光柵衍射效率低？OAS 軟件案例精準解析
夫瑯禾費衍射案例分析
簡介
夫瑯禾費衍射作為光學波動理論的核心研究對象，是遠場衍射的典型表征形式，其衍射圖樣的分布規律直接影響光學系統的性能優化與功能實現。在光學成像、激光技術、光譜分析等工程領域，精準獲取衍射圖樣特征是提升系統分辨能力、優化器件設計的關鍵前提。傳統實驗方法受環境干擾大、參數調整成本高，難以滿足高效研發需求。OAS 光學軟件憑借精準的物理建模能力、靈活的參數配置功能及高效的光線追跡算法，成為夫瑯禾費衍射現象研究與工程應用的理想工具。
案例設置與操作
光源參數
選用單色平行光束光源，波長設定為 0.6328μm，半孔徑尺寸 0.9mm，光束均勻性設定為 99%，確保入射光滿足理想平面波條件。
光學系統參數
光源與衍射屏間距設為 100mm，衍射屏采用圓形孔徑結構，衍射屏與探測器間距 10.95mm，通過軟件自動校驗滿足遠場條件。
探測器參數
采用面陣 CCD 探測器，像素分辨率 1024×1024，探測波段覆蓋 0.4-1.0μm，采樣頻率匹配光源波長，確保衍射條紋細節完整捕捉。
夫瑯禾費衍射的三維追跡圖
夫瑯禾費衍射的探測器結果圖
總結
本案例通過 OAS 軟件實現了夫瑯禾費衍射現象的精準仿真，其核心價值在于為光學工程設計提供了高效的虛擬驗證手段。在實際項目中，可通過調整孔徑尺寸、波長、探測距離等參數，快速分析各因素對衍射圖樣的影響規律，為光學系統的參數優化提供數據支撐。
展開 Zemax 全新 22.1 版本產品現已發布！
OpticStudio 22.1
改進了廣角系統設計、光線瞄準以及原生非序列衍射分析等功能
產品更新亮點
1.全新光線瞄準算法：增強光線瞄準
增加了一種新的光線瞄準算法，專門為需要大視場角的創新應用而設計（如機器視覺、無人機上的監控攝像頭、自動駕駛車輛的攝像頭以及手機鏡頭）。為了解決現有算法難以解決的問題，例如在使用現有光線瞄準算法時可能出現的 "無法追跡"錯誤和分析不連續的情況，新算法做出了重大改進。這種新方法被稱為 "增強光線瞄準"，可以在系統資源管理器的 "光線瞄準 "部分找到。
2. 非序列離軸反射鏡改善
離軸反射鏡這一物體增加了新的自由曲面參數，使物體的前表面能夠支持更多的形狀。增加的參數支持日益復雜的離軸反射鏡的幾何形狀，這些幾何形狀在先進的光學設計中變得很普遍。這些新增項也使得在使用轉換為 NSC 組工具時，更多的序列表面可以被轉換為非序列離軸反射鏡物體。用戶定義的孔徑現在也可以應用到離軸反射鏡上，進一步增加了使用該物體作為成像或照明系統的一部分時的設計能力。
3.非序列體全息衍射分析
在非序列模式中增加了三種新的衍射效率分析，以分析用全息透鏡、全息表面和環形全息圖對象構建的體積全息圖。衍射效率分析可以展示全息表面的波長范圍、入射角度與衍射效率之間的關系，幫助用戶詳細了解全息圖的性能結構參數的關系。
4.使用 RCWA 對浮雕光柵建模的 DLLS 更新
在最新的 RCWA DLLs 中植入快速傅立葉分解。當光柵包括高折射率的材料時，該算法的這一改進提高了精度。當光柵包括金屬時，這一點尤其重要，因為它們折射率虛部的數值通常非常大。這樣的光柵被廣泛用于太赫茲技術的組件、一些紅外系統以及 AR 頭盔。
展開 ZEMAX | 利用RCWA方法模擬表面浮雕光柵的衍射效率
需要使用高效的Kogelnik理論 [2] 或增強型的嚴格耦合波分析等算法來模擬VHG。
OpticStudio提供了用于模擬SAR和VHG的DLL。本文介紹了用于模擬SRG衍射效率的工具。
用于VHG的工具，參見知識庫文章， 使用Kogelnik方法模擬體全息光柵的衍射效率 。
傅里葉模態法（嚴格耦合波分析）
讓我們快速回顧一下用于模擬SRG 的DLL中使用的理論。
傅里葉展開式
圖2. 在傅里葉空間展開麥克斯韋方程。將介電常數 ε 和磁導率 μ 都寫入傅里葉級數中， Λx和 Λy為x和y方向的周期，a和b是每個傅里葉項的系數，(m, n)是整數。將電場E和磁場H寫成平面波的組合，其中S和U是每個平面波的強度，k是波矢量。E 、 H 、S 、 U 和 k都是向量，表示 (Ex,Ey,Ez), (Hx,Hy,Hz), (Sx,Sy,Sz), (Ux,Uy,Uz) 和 (kx,ky,kz)。
Concept of layers
層的概念
層是RCWA中的重要概念。該理論假設光柵結構在z方向上是均勻分布的，在X、Y方向上是周期性分布的。如果該結構在Z方向上不是均勻分布，則認為該結構是多個“層”的組合。每一層上的結構在z方向上是均勻分布的，如圖3所示。
圖3. 在RCWA算法中，將微結構分割成許多層，每一層的結構在z方向上是均勻的。
一般而言，對結構的采樣層數越多，模擬結果越準確，但計算速度也越慢。這是準確性和速度之間的平衡。
DLL模型包含控制層數的參數。
在 srg_trapezoid_RCWA.dll 中，用 “# Layer”控制。
展開 