非成像光學的案例
利用像素化非成像光學原理實現定向熱發射和顯示
02
成果掠影
近日，寧波東方理工大學（暫名）信息學部長聘副教授黃子勁團隊開發了一種基于非成像光學原理的定向微型熱發射器：由于光學擴展量（光束占據的面積與立體角之積）守恒，熱輻射從發射器底部抵達頂部時占據的面積增大，角度范圍因此縮小，產生方向性。這一過程不依賴于任何振動或傳輸模式，所以該發射器通用于不同偏振和波長。該發射器的單元被設計為正六邊形，以獲得高對稱性并實現密鋪，有利于高效地傳輸熱輻射。研究團隊通過以雙光子3D光刻為核心的微納加工流程，制備了具有高結構質量的微型定向發射器陣列。光譜測試驗證了該發射器優異的方向性，并實現了超寬的波長覆蓋范圍（5-20 μm），遠超過往工作。研究成果以“Directional thermal emission and display using pixelated non-imaging micro-optics”為題發表在《Nature Communications》。
03
圖文導讀
圖1 偏振無關的寬帶熱輻射方向性控制
圖2 微米級非成像光學陣列及其發射譜
圖3 熱成像下的像素化定向微型熱發射器（PDME）
圖4 定向紅外顯示與偽裝
展開 ZEMAX軟件技術應用專題：照明系統簡介
雖然上述例子都在照明系統中應用了成像理論，但這并不是照明系統設計的常規方法。但當非序列模式光線追跡不可用時，成像理論是設計光線分布的唯一方法。雖然成像系統也可以用于照明，但是也沒有必要為了照明而特地去使用，取而代之的是使用非成像系統。無論什么方法，不同的照明設計都要采取不同的思路和不同的工具（雖然大體上都是非序列模式追跡）。
非成像光學系統入門
非成像光學系統是光學系統的一個子集，與成像光學系統相比，它的目的不是為了獲得物體的圖像，而是控制光在光源和被照明物體間的傳輸。換句話說，非成像光學系統和照明光學系統試圖實現光從光源到被照明物體上期望分布的最佳傳輸方式。
傳統光學一直是成像光學，設計時通過追跡少量光線計算焦距等一階參數、利用賽德理論計算三階像差等。盡管這些過程涉及大量計算，但只需要追跡少量光線就能得出結果。
非成像光學中點A和點B之間沒有嚴格的關系，我們在引導光線到達想要的位置時擁有更多的自由。非成像光學的約束和限制較少，然而這也意味著為了準確描述非成像系統的性能，我們需要追跡大量的光線。這種“非解析”性質的計算，如“吞吐量”、“光學效率”、“光學均勻性”，會使優化過程更抽象、更不可控。然而目前計算機的計算能力，短時間內追跡數百萬甚至數十億光線也是可行的。這極大地幫助了非成像照明系統的發展。
Ansys Zemax國內可靠代理商
光研科技南京有限公司是國內可靠的光學軟件和儀器光電供應商，提供企業定制化上門培訓服務，承接各類光學設計項目，并有一系列自主編寫出版的光學設計書籍。公司擁有一支高素質、高水平、實戰經驗豐富的管理，銷售以及研發團隊，從成立到現在已經為廣大企業，研究所以及高校提供了很多優秀的產品和服務，是光電圈內值得信賴的企業。追光逐夢，研以致用！
展開 ZEMAX軟件技術應用教程專題:照明設計的理論背景與概念
本文的寫作目的
本文并不是對可用于照明設計中的各種光學理論的引申，而是提出設計師在進行照明設計時應注意的根本理論和概念。
本文沒有提供公式的完整推導。
照明設計的一些理論背景與概念
非成像光學，或非序列光線追跡通常用于照明設計。大多數照明設計需要不同于成像光學的思維過程。
照明并不像成像光學一樣建立在數學公式的基礎上。傳統光學長期以來一直以成像光學為基礎，我們在成像光學中追跡的光線數目遠遠少于能夠代表物理世界的光線。雖然追跡光線的數目少于系統中全部光線的數目，但我們可以用這些光線來計算如焦距等一階光學量以及如賽德爾像差等三階光學量。由于這些光學特性需要大量的數學計算，因此不需要追跡所有的光線，只需要追跡全部物理光線的一個子集。
非成像光學是光學的一個子集，與傳統成像光學的不同之處就是非成像光學不形成一個物體的像。非成像光學的主要目標是實現光源和照明目標之間的光能傳遞，將光能最優地傳遞到照明目標上，并得到期望的光能分布。
我們現有的計算能力可以追跡數百萬條（有時接近10億條）光線，并使光線充滿照明目標，從而獲得與照明表面非常接近的效果。請注意，前面的內容沒有提到任何公式化的計算，這是一種粗略近似的方法。與其說它是一種推導或計算，不如說它是一種模擬。大多數情況下，照明設計不是基于算法，而是基于直覺和啟發式結果。
如上所述，照明設計的主要目標是將光源最優地傳遞到照明目標上，并得到期望的分布。常見的光學設計特性，如顏色、成本和易于制造也是設計目標。很難將后一種需求量化為評價函數。與“焦距= 50mm”相比，期望的光能分布和總量或傳遞效率很難量化為評價函數。例如，焦距（或MTF、光斑半徑、畸變）為一個固定的數字，易于作為評價函數。照明目標表面的均勻性可以用幾種不同的方法來定義。
當然，完全均勻的表面是很容易定義的。
展開 懸浮成像技術與VR，Ansys Speos光學在手機背殼立體成像中的應用
為了實現手機外觀設計的差異化，各家廠商開始在手機背殼上越來越多地應用新型光學成像技術。當前，使用集成成像技術的懸浮成像技術開始被多家手機廠商應用于其高端型號的背板設計上。
懸浮成像技術，又稱空中成像技術，是一種通過特殊的光學裝置將圖像投射到空中，形成懸浮在空中的三維立體影像技術。作為一種全新的顯示和交互技術，懸浮成像技術的獨特魅力體現在其能夠在無實體接觸的情況下實現立體、真實的空中成像，并支持直觀的人機交互體驗。
近年來，在相關企業的積極推動下，搭載這一先進技術的產品正在逐步從實驗室走向市場，實現商業化落地。例如，部分智能座艙、懸浮精靈以及車載顯示產品已成功實現了規模化量產。但由于懸浮成像技術的設計和仿真難度，供應商通常要耗費比通常設計更多的時間成本和打樣次數來獲得理想的產品效果。因此，供應商們需要通過光學仿真軟件來實現最優的產品解決方案。
作為一款專業用于光學設計、環境與視覺模擬系統、成像應用的光學仿真軟件，Ansys Speos提供完美的可視化光學系統和直觀的人機交互平臺。基于三維模型CAD數據，Ansys Speos進行人眼視覺分析和人因環境評估，在產品設計階段對方案可行性進行驗證，在設計前期發現、反饋和處理問題，實現最優的產品解決方案。
基于此，7月18日，Ansys 系列網絡研討會將推出「Ansys 光學在手機背殼立體成像中的應用」主題。在本次研討會中，將介紹通過Ansys Speos搭建和仿真懸浮成像技術的方法，幫助設計者預測產品成像效果，定位設計錯誤，降低打樣次數從而降低設計成本。另外Ansys Speos 支持在VR頭顯中直接觀察懸浮成像效果，相比于普通屏幕，通過VR頭顯，設計者可以直接觀察到產品的懸浮效果，實現對設計更加高效的評估。
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ZEMAX | 照明設計的理論背景與概念
本文的寫作目的
本文并不是對可用于照明設計中的各種光學理論的引申，而是提出設計師在進行照明設計時應注意的根本理論和概念。
本文沒有提供公式的完整推導。
照明設計的一些理論背景與概念
非成像光學，或非序列光線追跡通常用于照明設計。大多數照明設計需要不同于成像光學的思維過程。
照明并不像成像光學一樣建立在數學公式的基礎上。傳統光學長期以來一直以成像光學為基礎，我們在成像光學中追跡的光線數目遠遠少于能夠代表物理世界的光線。雖然追跡光線的數目少于系統中全部光線的數目，但我們可以用這些光線來計算如焦距等一階光學量以及如賽德爾像差等三階光學量。由于這些光學特性需要大量的數學計算，因此不需要追跡所有的光線，只需要追跡全部物理光線的一個子集。
非成像光學是光學的一個子集，與傳統成像光學的不同之處就是非成像光學不形成一個物體的像。非成像光學的主要目標是實現光源和照明目標之間的光能傳遞，將光能最優地傳遞到照明目標上，并得到期望的光能分布。
我們現有的計算能力可以追跡數百萬條（有時接近10億條）光線，并使光線充滿照明目標，從而獲得與照明表面非常接近的效果。請注意，前面的內容沒有提到任何公式化的計算，這是一種粗略近似的方法。與其說它是一種推導或計算，不如說它是一種模擬。大多數情況下，照明設計不是基于算法，而是基于直覺和啟發式結果。
如上所述，照明設計的主要目標是將光源最優地傳遞到照明目標上，并得到期望的分布。常見的光學設計特性，如顏色、成本和易于制造也是設計目標。很難將后一種需求量化為評價函數。與“焦距= 50mm”相比，期望的光能分布和總量或傳遞效率很難量化為評價函數。例如，焦距（或 MTF、光斑半徑、畸變）為一個固定的數字，易于作為評價函數。照明目標表面的均勻性可以用幾種不同的方法來定義。
當然，完全均勻的表面是很容易定義的。然而，以下哪個是更加均勻照明的表面呢？
展開 第十二屆“宇瞳杯”光學設計大賽--中波紅外成像光學系統設計
所得到的組合后的二維圖如下：
將光闌放置在冷光闌位置，控制系統焦距，對鏡片形狀進行優化，逐步增加視場角，從而獲取到一個視場角滿足要求的光學系統初始結構，隨后，我們通過增加非球面鏡片，控制總長為180，進一步優化光學系統。優化后的光學系統結構圖如下所示：
MTF如下圖：
圖13.系統MTF曲線圖
然后再做無熱化設計。設置三重組態，將材料設置為hammer，優化玻璃。最終的二維如下圖所示。
20℃MTF
-40℃MTF
60℃MTF
畸變圖
最后，有相關需求，歡迎通過公眾號“320科技工作室”與我們聯絡。
南京大學蔣錫群-甄敘團隊系統評述：半導體共軛聚合物光學探針的設計及在自發光成像和光聲成像中的應用
分子成像技術能夠為疾病的早期診斷和治療提供重要的信息。分子成像技術可以通過外源性成像探針或內源性信號在細胞和分子水平對生物體內生理病理學變化過程進行可視化、可量化的表征。相比于傳統的分子成像技術，光學成像技術是一種非侵入性的、高時空分辨率、高靈敏度的非電離輻射成像技術。為了增強光學成像的信噪比和穿透深度，自發光成像(self-luminescence imaging)和光聲成像(photoacoustic imaging, PAI)最近引起越來越多的關注。
自發光成像不需要實時光激發，避免了實時光激發所造成的組織自發熒光，可以提高光學成像的靈敏度和信噪比；光聲成像是一種結合了光學激發和超聲傳播檢測的新型成像技術，其利用脈沖激光激發吸收體，吸收體將吸收的光能轉化成熱量引起局部溫度升高，導致熱膨脹繼而轉化成超聲波，通過超聲傳感器接收產生的超聲波信號，并將信號處理圖像重建形成光聲圖像。聲信號在組織中的散射遠低于光在組織中的散射，因此光聲成像突破了光學成像的穿透深度限制，可以實現更深組織的成像。
由半導體共軛聚合物(semiconducting polymer, SP)組成的半導體共軛聚合物納米材料(semiconducting polymer nanoparticles, SPNs)是一類新興的有機光學探針。電子離域的π共軛體系是SPs 的結構特征，SPNs 的光學性質大多由SPs 的化學結構決定，因此可以通過對SPs的結構進行合理設計來調節其光學性能。迄今為止，SPNs已經被用于開發一系列的光學應用上，例如熒光成像、化學發光成像、長余輝成像、光聲成像、光動力治療和光熱治療。
展開 光學成像系統中的像差
球形波在焦點的像差效應
通過快速的物理光學軟件VirtualLab Fusion可以很好地研究像差效應。在本周的通訊中，我們選擇了兩個與像差有關的例子：第一個是典型的波前像差如何影響球面波的聚焦模式，第二個是高功率激光二極管的散光如何影響焦點區域的性能。使用自由空間傳播場解算器和局部平面界面近似法（LPIA），衍射、偏振和矢量這些可能會降低圖像的質量的效應都可以包括在研究中，。
成像系統的主要功能是盡可能多地收集從每個物體點發出的光，并使這些光錐再次匯聚到像面，從而使每個物體點被統一映射到其在像面上的對應物。這類系統的性能通常是根據物點和像點之間的對應關系維持得如何來判斷的，眾所周知的理論限制是由衍射現象造成的：即使在一個光學系統中，根據幾何光學定律，將來自一個物點的所有光線準確地映射到一個單一的、數學上的像點，衍射也會導致該像點被抹成一個小的、但尺寸有限的斑點。這種衍射受限的情況是成像系統設計的典型目標，衍射受限的領域有一個球形波面。與球形波面的幾何偏差被稱為 "像差"，并使用不同的多項式基數來描述，以幫助量化其強度和形狀。畸變的存在會增加圖像點的涂抹，從而降低成像系統的質量。
展開 光刻技術第8期 | 二維與三維矢量成像模型對比-零波像差非雙遠心成像
當物鏡所成像不在無限遠處時，光線經過出瞳面后，其傳播方向在 z 軸上的方向余弦可以表示為：由橫向方向余弦（kx,ky）推導得出的平方根形式，具體會關聯到像面與出瞳面的位置參數（α?、α?、β?、β?）。
而在偏振光學的計算中，三維偏振光線矩陣與瓊斯矩陣之間，可通過入射光學系統的瓊斯矩陣（J）、入瞳面偏振矩陣（O?）、出瞳面偏振矩陣（O?）的運算來實現轉換。
先進技術與未來發展方向
面向3nm及以下節點，開發EUV非雙遠心適配模型，深化極紫外光與矢量光場耦合機制研究；結合Transformer架構與FPGA加速，實現毫秒級動態光場仿真，搭建數字孿生系統實時調整參數；跨場景拓展：拓展至生物芯片、量子芯片光刻，構建多材質適配模型，支撐全鏈路工藝優化。
展開 OpTaliX | 光學成像與照明設計軟件
概述
OpTaliX 軟件支持單機版和網絡版，可以設計各種光學系統，該軟件可以做光學設計、薄膜設計分析和優化、公差分析的功能，這是一款集幾何光學、物理光學和薄膜設計優化于一身的光學設計與照明設計軟件。
OpTaliX 光學設計軟件提供專業的設計分析功能,能滿足任何光學系統的設計、分析、優化、公差計算及文件報表。針對初學者，可以使用圖形化的界面和窗口利用各種工具完成光學系統的設計。同時，軟件支持的自定義面型、孔徑、材料、宏語言以及擴展功能滿足了高級用戶的需求。
核心功能
幾何光學：可以準確完成光學系統幾何像差的計算、分析及優化。
衍射光學：支持衍射的調制傳遞函數 MTF、點擴散函數PSF及波前相位的計算，支持衍射面型的建立。
非序列照明：支持非序列面型及光線追跡，完成各種照明及雜散光系統設計。
物理光學傳播：使用角頻譜方法實現物理光學的自由空間傳播，完美解決激光系統的計算精度。
宏指令語言：用戶可以通過宏語言擴展軟件的各種功能，并完成批量操作。
文件轉換接口：導入和導出 Code V, Zemax, Oslo, Atmos, ASAP,Modas, WinLens, Accos and Sigma 等文件格式。
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概述
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核心功能
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非序列照明：支持非序列面型及光線追跡，完成各種照明及雜散光系統設計。
物理光學傳播：使用角頻譜方法實現物理光學的自由空間傳播，完美解決激光系統的計算精度。
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核心功能
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衍射光學：支持衍射的調制傳遞函數 MTF、點擴散函數PSF及波前相位的計算，支持衍射面型的建立。
非序列照明：支持非序列面型及光線追跡，完成各種照明及雜散光系統設計。
物理光學傳播：使用角頻譜方法實現物理光學的自由空間傳播，完美解決激光系統的計算精度。
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OpTaliX 光學設計軟件提供專業的設計分析功能,能滿足任何光學系統的設計、分析、優化、公差計算及文件報表。針對初學者，可以使用圖形化的界面和窗口利用各種工具完成光學系統的設計。同時，軟件支持的自定義面型、孔徑、材料、宏語言以及擴展功能滿足了高級用戶的需求。
核心功能
幾何光學：可以準確完成光學系統幾何像差的計算、分析及優化。
衍射光學：支持衍射的調制傳遞函數 MTF、點擴散函數PSF及波前相位的計算，支持衍射面型的建立。
非序列照明：支持非序列面型及光線追跡，完成各種照明及雜散光系統設計。
物理光學傳播：使用角頻譜方法實現物理光學的自由空間傳播，完美解決激光系統的計算精度。
宏指令語言：用戶可以通過宏語言擴展軟件的各種功能，并完成批量操作。
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幾何分析功能
網格畸變
通過光學系統成像顯示畸變的矩形對象網格，如圖：
足跡圖
相對照對圖像
相對照度圖顯示了畫面的明暗亮度的均勻性
光線扇形圖：
點可在視場中顯現出來，表現為各視場的像差關系，如圖：
二級光譜
即縱向位置近軸焦點的波長功能，這里顯示的是適合復消色差的折射鏡頭。
表面透過率
在設計系統中顯示了每個曲面在傳輸損耗中起到的作用。
展開 成像光學設計學習過程及方法概要
光學設計，是一個理論與實踐結合的東西，成像光學設計的目的就是減小各種像差對成像的影響。
但是理論這個方面，極其簡單。一個是初級像差理論，也就是各個像差各自的關系、之間的關系、與視場與孔徑的關系。一個是一些計算公式，如焦距像高視場的關系、奈奎斯特頻率計算公式、定芯系數計算、半球率計算。一個就是與設計經驗相關的指標，什么是消色差、什么是半復消色差、什么是復消色差、什么是場鏡等等，當然這些東西可以邊做邊積累。
接下來從小白開始，某一天，你知道的光學設計并下定決心要去學好，那么你可以按一下步驟。
①打開微信，搜索“球差”，去了解什么是球差，然后怎么消除，然后自己去軟件里面試一試，是不是確如網上所說，然后搜索“慧差”、"像散"、“場曲”、“畸變”、“色差”....諸如此類。一周后，你知道了像差是一個什么樣的東西，并且知道了你應該如何去矯正這些像差，也可以參考前文。鏈接如下：
https://max.book118.com/html/2017/0102/79201913.shtm
②你了解了這些像差，并且你對光學設計有了一定的興趣或愛好，你就可以開始看一本書了，此書名為：《光學設計實用技術》，此書通俗易懂，你會慢慢的接觸到了比較簡單的像差理論，看完你就知道光學設計是一個什么東西了。
展開 CODEⅤ光學成像設計軟件
[圖片]
