光束足跡分析的案例
FRED 應用：光束足跡分析
簡介
當一個分析請求執行時，重要的是記住在FRED中的分析面只是在光線追跡結束后的后處理(過濾)光線。在光線追跡的過程中，它們不收集光線信息，無論光線的軌跡是否穿過分析網格。那么問題來了，“如何分析在光線追跡的過程中光線穿過光學空間的光場？”
一種選擇是使用FRED探測器實體(Detector Entity)結構。探測器實體與分析面類似，不過它們可以放在任何光學空間，而且可以在光線追跡的過程中動態地收集光線信息(即光線穿過它們的收集網格)。目前，探測器實體對于相干或偏振光不起作用，只可以執行輻照度、照度和彩色圖像的分析。
盡管FRED沒有一個內置的“光束足跡分析”程序，但我們將在FRED中使用探測器實體結構來實現類似的功能。
設置計算
文章使用如下圖像所示的光學系統。我們的目的是分析沿著如下所示的光路多個平面的處的光束足跡。
為了捕捉在光線追跡中光線透過每個我們感興趣平面的足跡，我們將會使用FRED中的探測器實體結構。探測器實體是一種分析節點的類型，它可以在光線追跡中與光線相互作用，可以定義多種多樣的形狀。光線相互作用，與光線濾光(一個后追跡過程)截然相反，使探測器實體能夠在任何光學空間任何時間動態地收集數據。探測器實體本身能收集三個不同時間的數據：在光線追跡中(即，使用在追跡中任何時刻與探測器實體相交的光線)，剛好在光線追跡后(即，“終止”在探測器實體上的光線)，或者根據請求(即，請求時“在”探測器實體上的光線)。在一個具有和探測器實體相同名字的分析結果節點中，對于每個探測器實體來說，光線面元的結果對用戶來說是可獲得的。記住，因為探測器實體在光線追跡中時是交叉的，您不應該放置一個探測器實體與結構中的其他表面重合。
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簡介
當一個分析請求執行時，重要的是記住在FRED中的分析面只是在光線追跡結束后的后處理(過濾)光線。在光線追跡的過程中，它們不收集光線信息，無論光線的軌跡是否穿過分析網格。那么問題來了，“如何分析在光線追跡的過程中光線穿過光學空間的光場？”
一種選擇是使用FRED探測器實體(Detector Entity)結構。探測器實體與分析面類似，不過它們可以放在任何光學空間，而且可以在光線追跡的過程中動態地收集光線信息(即光線穿過它們的收集網格)。目前，探測器實體對于相干或偏振光不起作用，只可以執行輻照度、照度和彩色圖像的分析。
盡管FRED沒有一個內置的“光束足跡分析”程序，但我們將在FRED中使用探測器實體結構來實現類似的功能。
設置計算
文章使用如下圖像所示的光學系統。我們的目的是分析沿著如下所示的光路多個平面的處的光束足跡。
為了捕捉在光線追跡中光線透過每個我們感興趣平面的足跡，我們將會使用FRED中的探測器實體結構。探測器實體是一種分析節點的類型，它可以在光線追跡中與光線相互作用，可以定義多種多樣的形狀。光線相互作用，與光線濾光(一個后追跡過程)截然相反，使探測器實體能夠在任何光學空間任何時間動態地收集數據。探測器實體本身能收集三個不同時間的數據：在光線追跡中(即，使用在追跡中任何時刻與探測器實體相交的光線)，剛好在光線追跡后(即，“終止”在探測器實體上的光線)，或者根據請求(即，請求時“在”探測器實體上的光線)。在一個具有和探測器實體相同名字的分析結果節點中，對于每個探測器實體來說，光線面元的結果對用戶來說是可獲得的。記住，因為探測器實體在光線追跡中時是交叉的，您不應該放置一個探測器實體與結構中的其他表面重合。
展開 FRED 應用：光束足跡分析
我們的目的是分析沿著如下所示的光路多個平面的處的光束足跡。
設置計算
盡管FRED沒有一個內置的“光束足跡分析”程序，但我們將在FRED中使用探測器實體結構來實現類似的功能。
一種選擇是使用FRED探測器實體(Detector Entity)結構。探測器實體與分析面類似，不過它們可以放在任何光學空間，而且可以在光線追跡的過程中動態地收集光線信息(即光線穿過它們的收集網格)。目前，探測器實體對于相干或偏振光不起作用，只可以執行輻照度、照度和彩色圖像的分析。
當一個分析請求執行時，重要的是記住在FRED中的分析面只是在光線追跡結束后的后處理(過濾)光線。在光線追跡的過程中，它們不收集光線信息，無論光線的軌跡是否穿過分析網格。那么問題來了，“如何分析在光線追跡的過程中光線穿過光學空間的光場？”
簡介
與該文檔對應的示例文件有5個平面探測器實體，位于系統中我們感興趣的平面上。這些探測器實體位于對象樹的分析面文件夾中，如下圖所示。
為了捕捉在光線追跡中光線透過每個我們感興趣平面的足跡，我們將會使用FRED中的探測器實體結構。探測器實體是一種分析節點的類型，它可以在光線追跡中與光線相互作用，可以定義多種多樣的形狀。光線相互作用，與光線濾光(一個后追跡過程)截然相反，使探測器實體能夠在任何光學空間任何時間動態地收集數據。
展開 VirtualLab：用于AR/MR的光波導足跡分析
為此，對光傳播以及發生的光柵相互作用進行快速而簡單的概述非常有幫助：足跡分析。借助足跡和光柵分析工具，VirtualLab提供了一個強大的工具，可在此過程中為光學工程師提供支持。在本文檔中，討論了這個多功能工具的選項和功能。
足跡和光柵分析工具
?足跡和光柵分析工具是光導工具箱黃金版的一個特色。
?它可以在開始功能區的光導部分進行初始化。
操作工具的基本流程
步驟1：選擇要分析的設置。它可以通過布局設計工具生成，詳見：
光導布局設計工具
但是請注意，足跡和光柵分析工具并不局限于特定的布局類型。您可以加載文件或直接從已經打開的文檔中選擇一個文件。
步驟2：定義該工具應該考慮的視場范圍。
步驟3：單擊分析按鈕。關于分析進度的詳細信息將在按鈕下方的面板中提供。
理想和實際光柵結果
足跡和光柵分析工具的結果可以分為兩個方面：
相互作用的足跡數據
相互作用的足跡數據文檔提供了一個所有光束足跡打到一個給定的光柵區域的彩色編碼插圖，配置視場(FOV)的不同模式有不同的顏色。用戶可以選擇在圖中顯示的視場模式。
注意
?如果 VirtualLab Fusion記錄了部分入射光束，則取決于基本光路中的“通道分辨率精度”設置。
?無論這個區域的光有多小或如何調制，該顯示都不會區分，并且將始終描繪完整的、相同大小的足跡圓。
中央視場的數據
傾斜視場模式數據
熱圖文檔
足跡原始數據文檔
?原始數據結果描述了每種視場模式下每個足跡的中心位置。
展開 
光波導的足跡和光柵分析
今天，我們轉向用于光導中光柵的最強大的系統設計工具之一：足跡和光柵分析工具。在它的許多功能中，不限于任何特定的布局，例如，它可以幫助可視化不同視場模式下的光束足跡與光柵區域的相互作用——這是一個重要的研究，考慮到光在光導內的復雜傳播。但最引人注目的是它能夠對光柵行為進行分析，然后可以用來配置單個光柵區域內光柵參數的平滑變化，以提高器件在均勻性和效率方面的性能。
用于AR/MR應用的光導足跡分析
足跡和光柵分析工具允許光學設計師確定光將如何與光導的各種光柵區域相互作用。
光導的光柵分析與光柵參數的平滑調制
在本案例中，通過使用VirtualLab的足跡和光柵分析工具，將平滑變化的光柵參數引入到用于AR/MR應用的光導光柵區域。該工具還可以詳細研究特定光柵結構的偏振相關的衍射效率。
展開 VirtualLab Fusion：用于AR/MR的光波導足跡分析
為此，對光傳播以及發生的光柵相互作用進行快速而簡單的概述非常有幫助：足跡分析。借助足跡和光柵分析工具，VirtualLab提供了一個強大的工具，可在此過程中為光學工程師提供支持。在本文檔中，討論了這個多功能工具的選項和功能。
足跡和光柵分析工具
? 足跡和光柵分析工具是光導工具箱黃金版的一個特色。
? 它可以在開始功能區的光導部分進行初始化。
操作工具的基本流程
步驟1：選擇要分析的設置。它可以通過布局設計工具生成，詳見：
光導布局設計工具
但是請注意，足跡和光柵分析工具并不局限于特定的布局類型。您可以加載文件或直接從已經打開的文檔中選擇一個文件。
步驟2：定義該工具應該考慮的視場范圍。
步驟3：單擊分析按鈕。關于分析進度的詳細信息將在按鈕下方的面板中提供。
理想和實際光柵結果
足跡和光柵分析工具的結果可以分為兩個方面：
相互作用的足跡數據
相互作用的足跡數據文檔提供了一個所有光束足跡打到一個給定的光柵區域的彩色編碼插圖，配置視場(FOV)的不同模式有不同的顏色。用戶可以選擇在圖中顯示的視場模式。
注意
? 如果 VirtualLab Fusion記錄了部分入射光束，則取決于基本光路中的“通道分辨率精度”設置。
? 無論這個區域的光有多小或如何調制，該顯示都不會區分，并且將始終描繪完整的、相同大小的足跡圓。
中央視場的數據
傾斜視場模式數據
熱圖文檔
足跡原始數據文檔
? 原始數據結果描述了每種視場模式下每個足跡的中心位置。
展開 基于全流程分析的中國煤制氫耦合CCUS技術碳足跡評估
煤制氫能源轉換效率對于煤制氫碳足跡的影響較大，當應用CCUS技術時，CO2運輸距離也會在一定程度上影響整體的碳足跡。
圖3 煤制氫及煤制氫耦合CCUS技術全流程碳足跡
為便于分析煤制氫（耦合CCUS 技術）各環節的碳足跡構成，本文對部分不確定性參數進行了處理。煤制氫能源轉化效率取均值，即59. 5%，這與當前主流煤制氫工藝（冷煤氣制氫）的產氫效率（不到60%）是基本吻合的。參考中國已建成投產的CCUS示范項目，CO2運輸距離基本未超過100 km，故此處假定CO2運輸距離為100 km。基于上述假設，煤制氫（耦合CCUS技術）的碳足跡構成如圖4所示。
圖4 煤制氫技術全流程碳足跡構成（圖（a）不考慮CCUS技術；圖（b）考慮CCUS技術）
從全流程來看，煤制氫與CCUS技術結合后整體碳足跡可由22. 02 kgCO2/kg H2降低至4.27 kg CO2/kg H2（圖 4(b)），減排幅度約為 80. 6%，低于制氫環節 90% 的CO2捕集率。這主要是由于CCUS 技術僅能夠從煤制氫環節捕集 CO2，降低煤制氫環節的碳足跡，但無法降低其他環節的碳足跡，且使用CCUS技術需消耗額外的能源并造成額外的碳足跡。
3.2 敏感性分析
煤制氫耦合CCUS技術過程涉及眾多技術環節，其全流程碳足跡亦會受到多重不確定因素的影響。
展開 RP 系列激光分析設計軟件 | 光束質量
光束質量的測量
根據 ISO 標準11146，光束質量因子 M2 可通過擬合程序計算，擬合程序適用于測量到的光束半徑沿傳播軌跡的演變(所謂的焦散線，見圖2)。為了獲得正確的結果，必須遵守許多規則，例如，光束半徑的精確定義和數據點的放置。
圖1:根據測量的焦散計算光束質量。
黑色數據點是擬合過程中使用的的數據點，而灰色數據點被忽略。(根據 ISO 標準11146，需要均衡選擇數據點，其中一些數據點靠近束腰，另一些數據點離束腰足夠遠。)
市面上有一些光束輪廓儀，可以在幾秒鐘內自動進行光束質量測量。它們通常以測量在不同位置的光束輪廓。基于不同測量原理的光束輪廓儀，例如 CCD 和 CMOS 相機或旋轉刀口或狹縫，在光束半徑和光功率的允許范圍、波長范圍、對偽影的靈敏度等方面有很大差異。例如，狹縫或刀口掃描儀通常可以處理比相機更高的功率，并能精確地處理近似高斯形狀的光束，而基于相機的系統通常更適合復雜的光束形狀。對于功率隨時間變化的光束，例如對于 Q 開關激光器的輸出，其他問題也開始起作用。這時有必要使快門與激光脈沖同步。
可以使用空間光調制器來代替通過光束移動探測器，以避免任何移動部件。
另一種測量方法是通過模式匹配的無源光學諧振器或波前傳感器進行傳輸，例如 Shack–Hartmann 波前傳感器。這樣，只需要在單個平面上進行分析，就能全面鑒定激光束的特性。
展開 RP 系列激光分析設計軟件 | 光束吸收裝置
光束吸收裝置
在各種情況下，都會有一束光（通常是激光束）是暫時或始終不需要的，因此需要被阻擋，例如,出于激光安全的原因。為此，可以使用某種安全吸收光功率的光束吸收器。與光束快門不同的是，光束吸收裝置不能被關閉，為了再次釋放這個光束，需要移除該裝置。
需要光束吸收裝置的一些典型情況：
當某種泵浦激光器向另一個設備(例如，鈦藍寶石激光器或OPO)發射光束時，需要暫時在沒有泵浦光的情況下工作(例如，清潔一些鏡子)，可以在設備之間插入光束吸收器(而不是關閉泵浦激光器)。
人們可能需要永久阻擋由寄生反射或透射產生的光束。例如，由于高循環的腔內功率，即使高功率激光器中的高反射鏡也可以傳輸大量的光功率。這種寄生光束可能導致激光危害或其他問題，例如一些激光鏡的支架的升溫，從而導致熱致失準。
一些光學設備會產生不需要的光束。例如，聲光偏轉器的非衍射光束或可變光衰減器中偏振器的輸出之一可能需要被吸收。
一種用于非常高功率水平的光束快門可以通過光束吸收器和可移動反射鏡的組合來實現，其可移動反射鏡到光路中，來實現光束進入吸收器。
光束吸收裝置的功能和類型
光束吸收器最重要的功能也許是避免任何光線沿其正常路徑傳播。只需一個簡單的光束阻擋裝置就能實現這一目的，例如，一個帶有黑色涂層(吸收涂層，如陽極氧化鋁)的金屬部件，可能還有一些冷卻管（fingers）。
在某些情況下，強烈抑制任何反射和反向散射光也很重要。例如，在激光安全性方面，即使來自千瓦激光束的散射光的最小部分也可能存在問題。那么簡單的光束阻擋器可能就不夠用了。因此，開發出了更多的具有更復雜設置的束流阱器件。例如，可以有一個光束被發射到其中的錐形黑色部分。盡管有吸收涂層，大多數被反射或散射的光到達黑色錐體的其他部分。
展開 VirtualLab Fusion應用：衍射光束擴散器產生LightTrans標識的設計與分析
衍射擴散器可以被設計來創建任何圖案。在這里，我們展示了 VirtualLab Fusion的一些可能性，以設計、優化、建模和仿真這種衍射光學元件（DOE）并把公司的標志投射到一幢大樓上。有不同的方法來生成光的圖案。利用相干激光和衍射擴散器元件，可以實現良好的效率和有趣的光紋理，這將在下面進行演示。
之后，我們將使用一個光闌（綠色矩形），它只傳輸由圖案產生的光，并阻止來自周圍環境的雜散光。
為了提高對比度，從而減少所需圖案周圍的散射光，在投影表面的區域（黑色矩形）中引入了一個優化區域。
下方的插圖顯示了人們感興趣的各個領域及其目的。
優化區域
雜散光，效率和全輸出場圖案
完整的設計，優化函數和仿真
對于這個應用，選擇了標準的重疊，產生了一個自然的，火焰狀的紋理。
根據主觀評價，這是最好的解決方案
2. 更少的重疊→擴散器和分束器之間的臨時外觀
1. 標準重疊→最小斑點
上述結果為不同的目標點重疊場景提供了三種代表性的紋理：（較大的重疊導致較大的斑點和較高的峰值）
作為優化區域，可以使用 LightTrans標志圖案本身或與投影區域連接的擴展區域。
展開 VirtualLab Fusion應用：衍射光束擴散器產生LightTrans標識的設計與分析
結果預覽
光束和圖案條件→設計目標圖案（DTP）
光束：尺寸評估
圖案：導入、準備、預變形、采樣考慮
15m處的光斑尺寸
擴散器元件以創建所需圖案的方式偏轉入射光束。分辨率由單個光束點的大小決定。通過一個簡單的光學設置，我們確定可實現的光斑直徑為≥5毫米。
同時，我們已經可以識別出哪種束腰還沒有完全進入目標平面遠場。
關于設計目標模式（DTP）的相關信息
用于設計的迭代傅里葉變換算法（IFTA）用于在準直光照明的透射函數平面與k域偏轉光方向的相關目標值之間進行優化。
對于近軸系統，k域的模式與平行于DOE平面的空間域的模式成正比。
對于這里提出的設計，因此必須在這個平行平面中定義模式。
這種幾何扭曲的圖案可以很容易地使用另一個簡單的光學設置。
用于設計的預扭曲圖案
通過下面的光學設置，我們可以很容易地計算出預期屏幕上任何期望的投影光形狀在平行于DOE傾斜的平面上的樣子。這些扭曲的圖案可用于設計過程。
采樣和測試DTP
根據所需的光圖案紋理，必須考慮一個合適的圖案采樣，因為DTP的每個像素中心代表一個由擴散器偏轉的光束的目標位置。
根據我們在此場景中的經驗和意圖，我們選擇了5 mm的采樣距離。
基于完整樣本的小部分創建測試設計也很有幫助。
采樣距離為5mm的圖案的目標點直徑
為了顯示不同類型的散斑圖案，所考慮的束腰直徑將在[0.9；2.0]mm的范圍內。
展開 
2023重磅光學硬件儀器推薦：Beamfiler Basic光束質量分析儀
光研科技自主研發的光束質量分析儀可實現激光光斑檢測及測試應用。為客戶提供定制光束質量分析一體化設計解決方案，并支持多應用開發。光束質量分析儀裝置一體化設計，配套衰減方案設計，支持實時曝光及增益調節。適用半導體激光器，固體激光器，光纖激光器，超快激光器，激光測距等領域。目前已作為成熟產品在市場推廣，性價比高，得到大量客戶認同。現公司研發部可根據客戶不同需求進行模塊化定制。
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Beamfiler Basic型號
性能特點：
本產品像素大小3.45μm
光斑檢測直徑范圍34.5μm~7mm
標配磁吸衰減，方便操作，可選更高功率衰減配置，功率范圍可達1000W.
支持手動和自動實時曝光及增益調節
高性價比，可代替進口激光光束質量分析儀，實現激光光斑檢測及測試應用
典型應用：
需要對激光光斑形狀進行檢測得場合，如激光生產，維護以及激光應用；
光學器件質量檢查；
激光腔鏡調整；
外光路準直；
光纖對準耦合分析等。
產品參數：
軟件功能介紹
展開 VirtualLab Fusion應用：衍射光束擴散器產生LightTrans標識的設計與分析
結果預覽
光束和圖案條件→設計目標圖案（DTP）
光束：尺寸評估
圖案：導入、準備、預變形、采樣考慮
15m處的光斑尺寸
擴散器元件以創建所需圖案的方式偏轉入射光束。分辨率由單個光束點的大小決定。通過一個簡單的光學設置，我們確定可實現的光斑直徑為≥5毫米。
同時，我們已經可以識別出哪種束腰還沒有完全進入目標平面遠場。
關于設計目標模式（DTP）的相關信息
用于設計的迭代傅里葉變換算法（IFTA）用于在準直光照明的透射函數平面與k域偏轉光方向的相關目標值之間進行優化。
對于近軸系統，k域的模式與平行于DOE平面的空間域的模式成正比。
對于這里提出的設計，因此必須在這個平行平面中定義模式。
這種幾何扭曲的圖案可以很容易地使用另一個簡單的光學設置。
用于設計的預扭曲圖案
通過下面的光學設置，我們可以很容易地計算出預期屏幕上任何期望的投影光形狀在平行于DOE傾斜的平面上的樣子。這些扭曲的圖案可用于設計過程。
采樣和測試DTP
根據所需的光圖案紋理，必須考慮一個合適的圖案采樣，因為DTP的每個像素中心代表一個由擴散器偏轉的光束的目標位置。
根據我們在此場景中的經驗和意圖，我們選擇了5 mm的采樣距離。
基于完整樣本的小部分創建測試設計也很有幫助。
采樣距離為5mm的圖案的目標點直徑
為了顯示不同類型的散斑圖案，所考慮的束腰直徑將在[0.9；2.0]mm的范圍內。
相關的目標點直徑約為[6.5；13.9] mm。
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