場追跡仿真的案例
非序列配置：如何使用光線追跡和場追跡的仿真設置
摘要
VirtualLab不僅能夠進行光線追跡，也可以執行場追跡。各種數值參數的規定可以對數值模擬進行控制。在VirtualLab中，這通常由精度因子的規范來處理。本示例闡述了如何使用提供的精度因子來控制VirtualLab中的光線追跡和場追蹤引擎，并重點放在非序列仿真的設置上。
仿真設置概覽
以下將更詳細地解釋模擬設置：
總精度(第二代場追跡)
1 采樣精度
2 傅里葉變換精度
非序列光線/場追跡
3 能量閾值
4 最大級
5 通道分辨率精度
6 僅顯示在3D視圖中入射探測器的路徑
1. 采樣精度
? 采樣精度是一個用于在追跡期間控制光場信息準確性的參數。
? 可以通過增加采樣精度因子來克服出現的意外人為現象。
2. 傅里葉變換精度
? 在VirtualLab中有幾個傅立葉變換算法。
? 根據場是位于其衍射區域還是幾何區域自動選擇。
? 小的傅里葉變換精確度（例如0.01）迫使全局使用幾何傅里葉變換，其特點在于比衍射變換快得多。
? 另外，每個探測器都可以單獨強制使用幾何傅里葉變換。
? 可以通過在相應檢測器的編輯對話框中激活“檢測器參數”選項卡下的“假設幾何場區域用于檢測器評估”復選框來選擇此項。
3. 能量閾值(非序列光線\光場追跡)
? 能量閾值是非序列追跡引擎的停止標準。
? 對于光能低于能量閾值的每一個 非序列光路，沿著路徑的光追跡將不做處理。
能量閾值：方案說明
? 遇到玻璃板時透射和反射光能的示例性說明。
? 在剩余能量達到可以忽略的水平之前，通常不需要很多反射。
? 在全反射的情況下，當然應該考慮許多相互作用。
? 下面顯示了能量閾值影響的一個例子。
展開 [VirtualLab] 如何利用場追跡控制衍射的包含
? 第2代場追跡
- 現在，該系統可以在包含衍射的情況下通過場追跡進行分析。
- 這必須在檢測器設置中通過不激活復選框來設置，假設檢測器評估的幾何場區域。
- 在VirtualLab中，所需包含的衍射是由引擎自動決定的。
- 因此，探測器上的強度圖顯示出衍射效應。
? 第2代場追跡
- 在這個示例中，可以通過減小球面波到孔徑的距離來減小衍射的影響。
- 因此，到球面波輸入平面的距離減小到3mm。
- 在某一點上，場跟蹤引擎切換到強度模式的純幾何評估，而不考慮衍射。
- 在第2代場追跡引擎的仿真設置中，通過提高傅里葉變換的精度，可以再次增加衍射的包含。
6. 文件信息
展開 [VirtualLab] 分析高數值孔徑物鏡的聚焦特性
因此，在仿真聚焦時考慮光的矢量性質是至關重要的。VirtualLab可以支持此類透鏡的光線和場追跡分析。通過場追跡分析，可以清楚地顯示出由于矢量效應引起的非對稱焦點。相機探測器和電磁場探測器可以方便地研究聚焦區域的場，也可以深入研究矢量效應。
建模任務
概述
?案例系統已預先設置了高數值孔徑物鏡。
?接下來，我們演示如何按照VirtualLab中建議的工作流程在示例系統上執行仿真。
光線追跡仿真
?首先選擇“光線追跡系統分析器”作為模擬引擎。
?單擊go！
?獲得了3D光線追跡結果。
光線追跡仿真
?然后，選擇“光線追跡”作為模擬引擎。
?單擊go！
?結果得到點圖（二維光線追跡結果）。
場追跡仿真
?切換到場追跡，然后選擇“第二代場追跡”作為模擬引擎。
?單擊go！
場追跡仿真（相機探測器）
?上圖僅顯示Ex和Ey場分量積分的強度。
?下圖顯示Ex、Ey和Ez分量積分的強度：由于在高數值孔徑情況下Ez分量相對較大，因此可見明顯的不對稱性。
場追跡仿真（電磁場探測器）
?使用電磁場探測器可獲得所有電磁場分量。
場追跡仿真（電磁場探測器）
?使用電磁場探測器可獲得所有電磁場分量。
展開 分析高數值孔徑物鏡的聚焦特性
因此，在仿真聚焦時考慮光的矢量性質是至關重要的。VirtualLab可以支持此類透鏡的光線和場追跡分析。通過場追跡分析，可以清楚地顯示出由于矢量效應引起的非對稱焦點。相機探測器和電磁場探測器可以方便地研究聚焦區域的場，也可以深入研究矢量效應。
建模任務
概述
?案例系統已預先設置了高數值孔徑物鏡。
?接下來，我們演示如何按照VirtualLab中建議的工作流程在示例系統上執行仿真。
光線追跡仿真
?首先選擇“光線追跡系統分析器”作為模擬引擎。
?單擊go！
?獲得了3D光線追跡結果。
光線追跡仿真
?然后，選擇“光線追跡”作為模擬引擎。
?單擊go！
?結果得到點圖（二維光線追跡結果）。
場追跡仿真
?切換到場追跡，然后選擇“第二代場追跡”作為模擬引擎。
?單擊go！
場追跡仿真（相機探測器）
?上圖僅顯示Ex和Ey場分量積分的強度。
?下圖顯示Ex、Ey和Ez分量積分的強度：由于在高數值孔徑情況下Ez分量相對較大，因此可見明顯的不對稱性。
場追跡仿真（電磁場探測器）
?使用電磁場探測器可獲得所有電磁場分量。
場追跡仿真（電磁場探測器）
?使用電磁場探測器可獲得所有電磁場分量。
展開 
VirtualLab Fusion：分析高數值孔徑物鏡的聚焦特性
因此，在仿真聚焦時考慮光的矢量性質是至關重要的。VirtualLab可以支持此類透鏡的光線和場追跡分析。通過場追跡分析，可以清楚地顯示出由于矢量效應引起的非對稱焦點。相機探測器和電磁場探測器可以方便地研究聚焦區域的場，也可以深入研究矢量效應。
建模任務
概述
?案例系統已預先設置了高數值孔徑物鏡。
?接下來，我們演示如何按照VirtualLab中建議的工作流程在示例系統上執行仿真。
光線追跡仿真
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?獲得了3D光線追跡結果。
光線追跡仿真
?然后，選擇“光線追跡”作為模擬引擎。
?單擊go！
?結果得到點圖（二維光線追跡結果）。
場追跡仿真
?切換到場追跡，然后選擇“第二代場追跡”作為模擬引擎。
?單擊go！
場追跡仿真（相機探測器）
?上圖僅顯示Ex和Ey場分量積分的強度。
?下圖顯示Ex、Ey和Ez分量積分的強度：由于在高數值孔徑情況下Ez分量相對較大，因此可見明顯的不對稱性。
場追跡仿真（電磁場探測器）
?使用電磁場探測器可獲得所有電磁場分量。
場追跡仿真（電磁場探測器）
?使用電磁場探測器可獲得所有電磁場分量。
展開 分析高數值孔徑物鏡的聚焦特性
因此，在仿真聚焦時考慮光的矢量性質是至關重要的。VirtualLab可以支持此類透鏡的光線和場追跡分析。通過場追跡分析，可以清楚地顯示出由于矢量效應引起的非對稱焦點。相機探測器和電磁場探測器可以方便地研究聚焦區域的場，也可以深入研究矢量效應。
建模任務
概述
?案例系統已預先設置了高數值孔徑物鏡。
?接下來，我們演示如何按照VirtualLab中建議的工作流程在示例系統上執行仿真。
光線追跡仿真
?首先選擇“光線追跡系統分析器”作為模擬引擎。
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光線追跡仿真
?然后，選擇“光線追跡”作為模擬引擎。
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?結果得到點圖（二維光線追跡結果）。
場追跡仿真
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?單擊go！
場追跡仿真（相機探測器）
?上圖僅顯示Ex和Ey場分量積分的強度。
?下圖顯示Ex、Ey和Ez分量積分的強度：由于在高數值孔徑情況下Ez分量相對較大，因此可見明顯的不對稱性。
場追跡仿真（電磁場探測器）
?使用電磁場探測器可獲得所有電磁場分量。
場追跡仿真（電磁場探測器）
?使用電磁場探測器可獲得所有電磁場分量。
展開 VirtualLab Fusion分析高數值孔徑物鏡的聚焦特性
因此，在仿真聚焦時考慮光的矢量性質是至關重要的。VirtualLab可以支持此類透鏡的光線和場追跡分析。通過場追跡分析，可以清楚地顯示出由于矢量效應引起的非對稱焦點。相機探測器和電磁場探測器可以方便地研究聚焦區域的場，也可以深入研究矢量效應。
建模任務
概述
?案例系統已預先設置了高數值孔徑物鏡。
?接下來，我們演示如何按照VirtualLab中建議的工作流程在示例系統上執行仿真。
光線追跡仿真
?首先選擇“光線追跡系統分析器”作為模擬引擎。
?單擊go！
?獲得了3D光線追跡結果。
光線追跡仿真
?然后，選擇“光線追跡”作為模擬引擎。
?單擊go！
?結果得到點圖（二維光線追跡結果）。
場追跡仿真
?切換到場追跡，然后選擇“第二代場追跡”作為模擬引擎。
?單擊go！
場追跡仿真（相機探測器）
?上圖僅顯示Ex和Ey場分量積分的強度。
?下圖顯示Ex、Ey和Ez分量積分的強度：由于在高數值孔徑情況下Ez分量相對較大，因此可見明顯的不對稱性。
場追跡仿真（電磁場探測器）
?使用電磁場探測器可獲得所有電磁場分量。
場追跡仿真（電磁場探測器）
?使用電磁場探測器可獲得所有電磁場分量。
文件信息
展開 分析高數值孔徑物鏡的聚焦特性
因此，在仿真聚焦時考慮光的矢量性質是至關重要的。VirtualLab可以支持此類透鏡的光線和場追跡分析。通過場追跡分析，可以清楚地顯示出由于矢量效應引起的非對稱焦點。相機探測器和電磁場探測器可以方便地研究聚焦區域的場，也可以深入研究矢量效應。
建模任務
概述
?案例系統已預先設置了高數值孔徑物鏡。
?接下來，我們演示如何按照VirtualLab中建議的工作流程在示例系統上執行仿真。
光線追跡仿真
?首先選擇“光線追跡系統分析器”作為模擬引擎。
?單擊go！
?獲得了3D光線追跡結果。
光線追跡仿真
?然后，選擇“光線追跡”作為模擬引擎。
?單擊go！
?結果得到點圖（二維光線追跡結果）。
場追跡仿真
?切換到場追跡，然后選擇“第二代場追跡”作為模擬引擎。
?單擊go！
場追跡仿真（相機探測器）
?上圖僅顯示Ex和Ey場分量積分的強度。
?下圖顯示Ex、Ey和Ez分量積分的強度：由于在高數值孔徑情況下Ez分量相對較大，因此可見明顯的不對稱性。
場追跡仿真（電磁場探測器）
?使用電磁場探測器可獲得所有電磁場分量。
場追跡仿真（電磁場探測器）
?使用電磁場探測器可獲得所有電磁場分量。
展開 非序列光場追跡
摘要
通過考慮諧波場而非光線，光場追跡法對光線追跡法進行了概括推廣。光場追跡法可以容許位于系統不同子區域的不同的建模技術進行無縫連接?；诜纸夂突ヂ摰睦砟睿@篇文章介紹了非序列場追跡的基本概念，同時推導出了相應的算子方程組和一個求解公式用于仿真。對問題的求值需要局部麥克斯方程的解（分解）；并且隨著迭代過程的收斂實現解決方案在通過界面處的連續性（互聯）。通過使用引入的一種新的光路樹算法，對需要求解的局部問題的數量進行優化。最后，我們展示了一些選擇局部麥克斯韋方程組的案例和數值結果。
1.簡介
現代光學系統設計需要高級模擬技術。通常，仿真過程中需要在時域或者頻域中求解麥克斯韋方程組。即使這些方程的解決方案已經在過去數十年被廣泛的討論，使用比如有限元法（FEM），但由于以下主要原因，其在光學領域仍然非常具有挑戰性：（1）感興趣的波長一般在1微米以下，有時甚至在100納米之下，（2）一個系統中的長度量級可能在納米和米之間變化。應用波長532納米（綠光）的標準激光系統，使用特征尺寸僅有幾微米的結構界面并且需要在一個系統中與數厘米或者米的結構一同模擬。這表明物理光學模擬，例如，使用標準的有限元法，如今在標準計算機上并不可行。
另一方面，大部分光學系統可以通過使用近似的方法，實現足夠精確的模擬。尤其是光線追跡方法在光學模擬中得到了廣泛的使用。幾款基于光線追跡方法的商業工具在二十世紀八十年代隨著個人電腦技術的新興便已確立。然而，光線追跡方法有一些嚴重的限制，例如，當系統中存在微結構時，其便會失效。
這就是我們引入場追跡的原因[6,12]。場追跡將一個光學系統分解成子域。與光線追跡相比，場追跡是計算通過系統的電磁諧波場。在實際應用中，此方法具有三個基本的優勢：（1）場追跡法統一光學建模。
展開 VirtualLab Fusion非序列光場追跡
摘要
通過考慮諧波場而非光線，光場追跡法對光線追跡法進行了概括推廣。光場追跡法可以容許位于系統不同子區域的不同的建模技術進行無縫連接?；诜纸夂突ヂ摰睦砟?，這篇文章介紹了非序列場追跡的基本概念，同時推導出了相應的算子方程組和一個求解公式用于仿真。對問題的求值需要局部麥克斯方程的解（分解）；并且隨著迭代過程的收斂實現解決方案在通過界面處的連續性（互聯）。通過使用引入的一種新的光路樹算法，對需要求解的局部問題的數量進行優化。最后，我們展示了一些選擇局部麥克斯韋方程組的案例和數值結果。
1. 簡介
現代光學系統設計需要高級模擬技術。通常，仿真過程中需要在時域或者頻域中求解麥克斯韋方程組。即使這些方程的解決方案已經在過去數十年被廣泛的討論，使用比如有限元法（FEM），但由于以下主要原因，其在光學領域仍然非常具有挑戰性：（1）感興趣的波長一般在1微米以下，有時甚至在100納米之下，（2）一個系統中的長度量級可能在納米和米之間變化。應用波長532納米（綠光）的標準激光系統，使用特征尺寸僅有幾微米的結構界面并且需要在一個系統中與數厘米或者米的結構一同模擬。這表明物理光學模擬，例如，使用標準的有限元法，如今在標準計算機上并不可行。
另一方面，大部分光學系統可以通過使用近似的方法，實現足夠精確的模擬。尤其是光線追跡方法在光學模擬中得到了廣泛的使用。幾款基于光線追跡方法的商業工具在二十世紀八十年代隨著個人電腦技術的新興便已確立。然而，光線追跡方法有一些嚴重的限制，例如，當系統中存在微結構時，其便會失效。
這就是我們引入場追跡的原因[6,12]。場追跡將一個光學系統分解成子域。與光線追跡相比，場追跡是計算通過系統的電磁諧波場。在實際應用中，此方法具有三個基本的優勢：（1）場追跡法統一光學建模。其概念允許我們在系統的不同子域中應用任何表述矢量諧波場的技術。
展開 Offner系統的非序列場追跡分析
通過改變光源的橫向位置，結果顯示在某些情況下鏡面邊緣可能會將場截止，從而影響檢測器平面的成像質量。
1. 建模任務
2. 結果
3. 文件和技術信息
一文讀懂VirtualLab Fusion場追跡技術
A 36, 1551-1558 (2019)
參考文獻
VirtualLab Fusion的強大之處，不只是“能算出結果”，而是它提供了一套圍繞光場傳播的完整分析邏輯。VirtualLab Fusion 的場追跡技術，本質上是將光場傳播統一到傅里葉域框架下，再針對不同傳播任務選擇合適的傅里葉變換算法組合來實現高效而精確的計算。通過這三類算法的協同，VirtualLab Fusion 能夠在統一的場追跡框架中兼顧傳播精度、計算效率和建模靈活性，從而實現從整面傳播到局部逐點分析、從標準傅里葉傳播到高NA矢量場計算的多層次光場仿真。對于使用者來說，真正重要的不是記住算法縮寫，而是理解它們背后的適用條件與建模意圖。
五、結語
展開 SPRAY 光譜光線追跡仿真軟件
SPRAY是一款適用于Windows 7/8/10 操作系統的軟件，用于進行頻率(或波長)分辨的光線追跡模擬仿真。您可以定義：
? 發射光線的光源
? 如鏡子、光散射器、吸收器或改變光線方向或吸收光線的表面等物體
? 屏幕、探測器和探測器陣列來收集關于設置中輻射分布的信息
SPRAY 組件
以下組件在當前版本中可用:
光源
? 點光源(各向同性發射)
? 體積光源(各向同性發射)
? 矩形光源(用戶自定義發射錐)
? 圓形光源(用戶自定義發射錐)
? 組合光源(多個元素發光)
探測器
? 矩形探測器
? 屏幕
? 線性檢測器陣列
? 球形探測器陣列
界面
界面將空間中的區域分開，例如定義從一種材料到另一種材料和/或從非散射區域到光散射體的過渡。界面被定義為層疊或邊界，具有用戶定義的反射率和透過率屬性(規則或漫反射)。
幾何物體
幾何物體可以被用戶定義的界面或理想的鏡子或吸收器覆蓋。以下這些形狀目前可用:
? 矩形
? 三角形
? 球體
? 部分球體
? 圓柱體
? 開柱面
? 錐
? 部分橢球
? 部分拋物面
? 球面聚光透鏡
? 球面色散透鏡
? 棱鏡
? 用戶自定義表面輪廓
? 多個子形狀的組合
SPRAY使用與SCOUT光譜仿真軟件相同的光學常數模型和數據，包括大型數據庫。在接口中使用的層疊定義也是完全相同的。在幾何物體之間，光線可以在吸收、散射或熒光介質中移動。
利用集成的Mie-程序計算多涂層球體的光散射和吸收特性。
聯系我們
展開 Lumerical 大尺寸超透鏡的光線追跡仿真
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