光學計算的案例
什么是光學計算？如何在 COMSOL 中分析光學計算器件
光學計算是替代當前電子計算機的另一種可能形式。在這篇文章中，我們將探討光學計算的概念，并解釋了光學矩陣乘法網絡是如何工作的。我們還討論了如何使用 COMSOL Multiphysics? 軟件及其附加產品——波動光學模塊對光學計算設備進行建模。結合這些產品的使用，展示了在模擬大型光學系統時應用波束包絡法的優勢。
光學計算簡介
摩爾定律
在過去的幾十年里，計算機的能力一直呈指數級增長。這種增長遵循摩爾定律，即集成電路中的晶體管數量每兩年翻一番，而計算機的成本將降低。這使得我們今天享有的大部分現代技術成為可能。例如，主流計算機芯片完全基于晶體管等電子元件，每塊芯片的晶體管數量幾乎每兩年就會翻一番。為了跟上這種增長，并在可控的功率效率下提高計算機芯片的性能，芯片上的電子元件(包括晶體管)的小型化既關鍵又不可避免。盡管工程師們在這方面做了出色的工作，將晶體管從厘米尺度縮小到納米尺度，但重要的是要認識到，最終基本的限制將阻礙這類設備的發展。例如，當一個電子元件的尺寸接近原子水平時，量子效應將導致其功能不穩定?？茖W和工程界長期以來一直在考慮電子計算機的替代形式。最近引起廣泛關注的一種替代是光學計算——指用光(光子)而不是電流(電子)進行計算。
雖然光學計算是一項新興技術，但光學在信息技術中的應用已經有相當長的一段時間了，特別是利用光進行信息傳輸。損耗極低的光纖可以以光速長距離傳輸信息。光纖網絡設備常用于數據中心甚至普通家庭。然而，在商業化方面，利用光進行計算仍處于起步階段。
光學中的數學計算
眾所周知，某些光學過程對應于數學計算。例如，考慮光的衍射。當光通過衍射介質時，本質上是在進行傅里葉變換積分。然而，光學系統是否可以像我們今天擁有的計算機一樣進行通用數學計算，可能還不是很清楚。目前，光學計算有許多不同的形式。
展開 超表面高階微分器助力光學計算突破
光學模擬計算憑借光速并行處理的天然優勢，被視為下一代計算技術的核心方向。長期以來，光學微分技術多停留在一階或二階操作，高階微分的實現與實用化始終是難題。本期文章將介紹一項發表于《Nature》的研究，利用超表面（Metasurface）這一革命性材料，不僅實現了五階光學微分，更將分辨率推至0.015倍瑞利極限，為納米級光學對準和超分辨成像提供了全新工具。
引言
在人工智能、自動駕駛、機器視覺等信息技術飛速發展的今天，圖像處理技術已成為核心驅動力。其中，圖像微分或邊緣檢測是通過提取圖像中亮度或相位的突變信息，成為識別物體輪廓、增強圖像細節的關鍵技術。然而，傳統數字圖像處理依賴電子芯片計算，面臨算力瓶頸和高能耗問題。相比之下，光學模擬計算憑借其并行處理、低功耗和瞬時響應的天然優勢，被視為下一代計算技術的突破口。
但傳統光學系統依賴笨重的透鏡和棱鏡，難以集成化；且現有光學微分器多局限于一階或二階微分，高階微分操作長期面臨技術瓶頸。近期，一項發表于《Nature》的研究提出了一種基于超表面的高階光學微分器，不僅實現了五階微分，還將其應用于光學超分辨率成像，分辨率突破瑞利極限，為半導體納米制造中的光學對準提供了全新工具。
高階微分器的設計原理
1.Pancharatnam-Berry（PB）相位超表面
PB相位超表面是一類基于幾何相位調控的超表面。其單元結構（如硅納米柱）類似“半波片”，當圓偏振光入射時，通過旋轉納米柱的取向角，可在透射或反射光中引入附加相位。這種相位調制僅依賴于結構取向，對波長不敏感，因此具備寬波段工作潛力，是光學計算的理想載體。
2.從數學到光學：傅里葉變換的微分特性
根據傅里葉變換的微分性質，對圖像進行n階微分，等效于在頻域（傅里葉平面）將其頻譜乘以(ik) 。
展開 033 – [自編軟件] VO2的光學常數計算軟件
為此，我參考四篇SCI論文，自主開發了VO2光學常數計算軟件，是一個獨立的exe應用程序，可在windows平臺運行。
軟件界面：
計算結果驗證：
請從附件中下載軟件：
033-[自編軟件] VO2 的光學常數計算軟件（V1.2）.zip
032 – Matlab VO2的光學常數計算代碼（Matlab文件+參考文獻，252元） ￥252
032 – Matlab VO2的光學常數計算代碼（Matlab文件+參考文獻，252元）
基本介紹：
主要內容：參考四篇SCI論文，基于Matlab編寫了 VO2 的電導率、介電常數、折射率計算代碼，并列舉7個例子幫助大家理解；
計算所需的內存：無；
本案例包含Matlab程序文件和參考文獻。
包含的文件截圖：
詳細描述：
二氧化釩（VO2）是一種相變材料，其物理和化學性質可以通過改變溫度來大幅度地調節，從而可以用來設計溫控器件。
VO2 的相變溫度在 T0 ≈ 68 ℃ 附近，
當溫度低于 T0 時為絕緣態，展現出電介質的特性
當溫度高于 T0 時為金屬態，展現出金屬的特性，可以導電。
VO2 的相變特性主要在其電導率、介電常數、折射率等參數上體現出來，也就是說 VO2 的這些光學參數不僅是頻率(ω)的函數，也是溫度(T)的函數。更麻煩的是，這些物理量還都是復數，即：
σ = σ’(ω, T) + iσ”(ω, T)
ε = ε’(ω, T) + iε”(ω, T)
n = n’(ω, T) + in”(ω, T)
目前人們主要通過兩種方式來對VO2的光學性質進行建模：
第一種是認為VO2在任意溫度下的介電常數都滿足Drude模型，然后將等離子體頻率和碰撞頻率擬合成溫度的函數
第二種是認為VO2的金屬態滿足Drude模型，絕緣態的介電常數是一個不隨溫度變化的常數，而相變溫度附近VO2是金屬態和絕緣態的混合物。利用混合物等效介質理論求出相變溫度附近的介電常數
以上兩種方式計算起來都比較繁瑣，涉及的計算量很大。
展開 
031 – [自編軟件]石墨烯的光學常數計算軟件
031 – [自編軟件]石墨烯的光學常數計算軟件（exe應用程序，免費試用版）
基本介紹：
主要內容：本店自主開發的Kubo公式及其4種近似公式的計算軟件，windows平臺exe應用程序；
計算所需的內存：無；
本案例包含一個我自主開發的軟件。
包含的文件截圖：
詳細描述：
石墨烯（Graphene）由于其優異的可調諧性能，是近幾年的熱門研究對象。在您的研究中加入石墨烯調諧，有望顯著提升論文檔次。
計算石墨烯光學常數（電導率、介電常數、折射率）的Kubo公式比較復雜，正確計算該公式耗時耗力。
為此，我自主開發了Kubo公式及其4種近似公式的計算軟件，是一個獨立的exe應用程序，可在windows平臺運行。這5種公式分別為：
Kubo公式
Hanson提出的近似公式
Falkovsky提出的第一種近似公式
Falkovsky提出的第二種近似公式
Drude模型近似公式
軟件界面：
利用Hanson的公式計算了石墨烯在3 ~ 8 THz范圍內不同化學勢的介電常數，并與論文《A perfect absorber made of a graphene micro-ribbon metamaterial》對比，計算結果與論文中的圖完全一致：
軟件截圖中計算的是論文中的紅色線
請從附件中下載軟件：
031-[自編軟件]石墨烯的光學常數計算軟件（V1.5）.zip
展開 030 – Matlab石墨烯的光學常數計算代碼（Matlab文件+參考文獻，398元） ￥398
030 – Matlab石墨烯的光學常數計算代碼（Matlab文件+參考文獻，398元）
基本介紹：
主要內容：基于Matlab編寫了 Kubo 公式及其4種近似公式的計算代碼；
計算所需的內存：無；
本案例包含Matlab程序文件和參考文獻。
購買此程序不附帶編程指導，如沒有編程經驗請勿購買。
包含的文件截圖：
詳細描述：
石墨烯（Graphene）由于其優異的可調諧性能，是近幾年的熱門研究對象。在您的研究中加入石墨烯調諧，有望顯著提升論文檔次。
計算石墨烯光學常數（電導率、介電常數、折射率）的Kubo公式比較復雜，正確計算該公式耗時耗力。
為此，本案例基于Matlab軟件編寫了石墨烯光學常數的5種常用公式的計算程序，這5種公式分別為：
Kubo公式
Hanson提出的近似公式
Falkovsky提出的第一種近似公式
Falkovsky提出的第二種近似公式
Drude模型近似公式
這5種公式分別寫成Matlab的函數，可以方便地調用。以Kubo公式為例，程序截圖如下，注釋中詳細介紹了每個參數的含義及參考文獻列表：
本案例還給出了兩個例子，分別名為“example1.m”和“example2.m”（見前面的文件目錄截圖），以展示這5個函數的用法。
展開 VASP計算AgGaS2能帶及態密度及光學性質
(計算光學性質)
NSW=1
IBRION= -1(無需進行構型優化)
計算結束后 (正常), 會得到OPTIC（用于計算線性光學性質）和momentum_matrix
（用于計算NLO即非線性光學性質）
3.編輯OPTCRT文件 常用關鍵詞及其含義
ISYMM = 2
OMMIN = 0
OMMAX = 20
NEDOS = 4000
NBCON = 200
LJDOS = .TRUE.
LDOS = .TRUE.
LKRAMERS = .TURE.
GAMMA = 0.002
LSEARCH =.TRUE.
EMINSEARCH = 0
EMAXSEARCH = 20
SCISSOR=0.5
4.創建一個新目錄，將OPTIC OPTCTR,KPOINTS,POSCAR 復制到其下
命令 cp ../ OPTIC . OPTCTR,KPOINTS,POSCAR .
修改KPOINTS
創建個臨時目錄復制vasp計算所需要的四個輸入文件.運行單機版vasp。
展開 12/21 基于Ansys Speos的GPU光學模擬加速計算
Ansys與NVIDIA有著長久的戰略合作關系，作為高性能計算領域的技術領導者，雙方展開密切合作在Ansys多物理場解決方案中開發GPU加速求解器和算法，確保在Ansys軟件上運行的仿真工作具有最快的性能。此外還在專業圖形方案領域進行合作，確保Ansys在建模、后處理和可視化等工作流程能夠發揮最佳性能和質量水平。
當下隨著科技的發展，汽車內外飾照明越來越復雜，以往想要模擬出高逼真的視覺效果，需要堆棧CPU數量用于模擬計算，硬件成本很高。而在即將正式推出的Ansys Speos GPU加速計算中，可實現4-8倍運算能力的提高，通過借助GPU加速獲得更好的結果、更快的模擬以及更高的精度和分辨率，實現基于物理的逼真渲染，消除時間/硬件管理等障礙，進一步加快開發速度。
12月21日，Ansys將聯合NVIDIA共同推出【基于Ansys Speos的GPU光學模擬加速計算】網絡研討會，本次會議邀請來自NVIDIA 行業拓展經理茅勇，以及Ansys Speos應用工程師孫鴻燁作為主講嘉賓，共同分享實現快速計算的關鍵技術以及最新光學仿真的功能革新，歡迎大家報名參會。
展開 利用ZPL計算衍射光學元件（DOE）的表面輪廓
利用ZPL計算衍射光學元件（DOE）的表面輪廓
利用 ZPL 計算衍射光學元件（DOE）的表面輪廓
介紹
本文ZPL宏可用于計算旋轉對稱 Kinoform 透鏡表面（OpticStudio 中為 Binary2 面型）的相位（phase）以及矢高（Sag）。使用者需在運行宏前輸入半徑（Radius）每隔多長時間重復計算一次，之后宏會計算出每個半徑值對應的矢高并給出相應的衍射區域編號（Zone number）、步長（Step Size）、每個區域所在的位置半徑（Zone Radius）、每個區域內/外半徑矢高（Sag with inner/outer radius）。除此以外，該宏還會計算出每個區域的輪廓頻率（Profile Frequency，單位為waves/mm）作為生產難易的評估參數。
表面矢高的一般形式如下：
其中 C=1/R，R為半徑；K為圓錐系數；ρ 為徑向坐標；A2,4,6,8…為非球面系數。λ 為波長；N為透鏡折射率；C2,4,6,8…為相位系數。
步長（Step Height）計算公式如下：
衍射光學元件（DOE）表面輪廓如下，單位為弧度:
其中 R 為歸一化半徑。
典型的衍射光學元件輪廓如下：
輸入
輸入表面編號以及迭代半徑間隔就可以計算出表面矢高。如下圖所示：
輸出
宏會輸出區域編號（Zone number）、步長（Step Size）、每個區域所在的位置半徑（Zone Radius）、每個區域內/外半徑矢高（Sag with inner/outer radius）以及輪廓頻率（Profile Frequency）。
展開 計算成像的“光學憲法”：以相位調制為靈魂的AI視覺新范式
文章轉載自：中關村通力科服
威睛光學，就是人眼中的“晶狀體”與“大腦視皮層”——既承擔動態相位調制的光學編碼，又執行神經計算的光電解碼，為AI時代機器視覺的每一次判斷，奠定“所見即所得、所得即真相”的物理基石。
摘要
在AI與機器視覺狂飆突進的時代，一個根本性追問被長期懸置：當算法越來越“聰明”，它賴以判斷的原始數據——光子攜帶的物理信息——是否足夠“誠實”？威睛光學給出了獨有的答案。這家計算光學企業，以相位調制為核心靈魂，構建了從光學硬件（自由曲面、超構表面、液體透鏡）到算法（相位恢復）的完整技術閉環。其本質，是對人眼光學系統——角膜、晶狀體、瞳孔協同進行相位調制，大腦視皮層完成神經解碼——這一生物策略的工程化復現與超越。本報告系統論證：相位是光場中承載物理信息的最核心維度；對相位的主動調制能力，決定了視覺系統從“看得清”邁向“看得準”的根本能力。在AI從“語義理解”深入“精密測量”的產業轉折期，威睛光學所構建的“相位調制-數學解調”架構，為AI的準確判斷提供了不可動搖的“光學真相”基石——這正是AI時代機器視覺最稀缺、最不可替代的基礎設施。
關鍵詞：威睛光學；相位調制；相位恢復；波前編碼；計算成像；看得準；AI機器視覺；仿生視覺；光學憲法
引言：當AI開始“看”，誰能保證它看到的不是幻象？
2025年，全球計算攝影市場估值231.9億美元，預計到2032年將達805.9億美元。全球AI傳感器市場在2024年約48億美元，預計到2034年將激增至1610億美元。
數字背后是不可逆轉的趨勢：機器的“眼睛”正以前所未有的速度部署到工業檢測、自動駕駛、安防監控、醫療診斷等關鍵領域。但一個根本性問題被忽略了：當AI算法對著一張圖像做出“合格”或“腫瘤”的判斷時，這個判斷的“合法性”建立在什么基礎上？
展開 VirtualLabFusion：光學設計任務的輔助計算器
雖然提供盡可能準確和盡可能快速的模擬結果是VirtualLab Fusion的主要任務，但軟件還提供了一系列方便的工具來簡化光學工程師的工作。其中，它們以計算器的形式出現，允許用戶計算用于在軟件內配置系統的關鍵參數，并通過按下按鈕將該信息傳輸到必要的組件。
在VirtualLab Fusion提供的眾多計算器中，今天主要把重點放在其中兩個上。展示的第一個計算器是Coherence Time & Length Calculator，顧名思義，它可以根據給定的頻譜計算時間相干參數。這一數據可以鏈接到Universal Detector，允許其包括相干效應，而不需要傳播整個光譜。第二個計算器計算并直觀地表示衍射光柵的反射和透射級次的偏轉角，除了角度的精確值之外，還提供了入射光和出射級次如何在特定的光柵配置的方向空間中分布的實用的可視表示。
相干時間和長度計算器|
相干時間和長度計算器很容易確定具有指定帶寬的給定光源的相干時間和長度。
衍射角計算器
Diffraction Angle Calculator使用光柵方程來計算和顯示衍射光柵的反射和透射級。
展開 
VirtualLabFusion：光學設計任務的輔助計算器
雖然提供盡可能準確和盡可能快速的模擬結果是VirtualLab Fusion的主要任務，但軟件還提供了一系列方便的工具來簡化光學工程師的工作。其中，它們以計算器的形式出現，允許用戶計算用于在軟件內配置系統的關鍵參數，并通過按下按鈕將該信息傳輸到必要的組件。
在VirtualLab Fusion提供的眾多計算器中，今天主要把重點放在其中兩個上。展示的第一個計算器是Coherence Time & Length Calculator，顧名思義，它可以根據給定的頻譜計算時間相干參數。這一數據可以鏈接到Universal Detector，允許其包括相干效應，而不需要傳播整個光譜。第二個計算器計算并直觀地表示衍射光柵的反射和透射級次的偏轉角，除了角度的精確值之外，還提供了入射光和出射級次如何在特定的光柵配置的方向空間中分布的實用的可視表示。
相干時間和長度計算器
相干時間和長度計算器很容易確定具有指定帶寬的給定光源的相干時間和長度。
衍射角計算器
Diffraction Angle Calculator使用光柵方程來計算和顯示衍射光柵的反射和透射級。
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展開 FDTD計算石墨烯實現光學變換
本次計算的是發表在Science上的一篇文章“Transformation Optics Using Graphene” （見附件
Science-2011-Vakil-1291-4.pdf
）。
“超材料和變換光學能夠將電磁場分割成需要的空間格局，因此在光學科研及工程領域的各個分支中扮演著重要的角色。本文提出了一種設計和控制石墨烯薄片電導率空間各向異性和非均勻性的方式，實現了單原子厚度（one-atom-thick）的紅外超材料和變換光學操作平臺。通過施加靜電場改變石墨烯化學勢，實現THz及紅外波段電導率的調制。自由的調制方式允許在單個石墨烯片上構建出不同電導率的區域，可以預見，這樣的平臺可以衍生出豐富的光子學功能和超材料概念?！?/span>
展開 Ansys Zemax光學設計軟件技術教程：如何編寫ZPL宏：計算環帶垂軸色差
該宏將產生以下繪圖：
光研科技南京有限公司是國內可靠的Ansys Zemax光學設計軟件代理商！公司已經為廣大企業，研究所以及高校提供了很多優秀的相關產品和服務，在行業內建立了值得信任的口碑。
Ansys Zemax光學軟件
咨詢與訂購方式
聯系人：光研科技南京有限公司徐保平
手機號：15051861513
微信號：13627124798
OCAD應用：光學系統熱環境分析
圖2.系統熱熱環境分析
有了環境設置，就是光學系統光機結構參數，在界面的表格內不僅列出了系統光學參數，還有保證光學零件間隔的隔圈材料牌號及長度尺寸。如果使用復合套筒結構的還可以分別給出隔圈和副隔圈的材料牌號及長度尺寸。副隔圈的長度尺寸可以是正值也可以是負值。為方便給定系統隔圈金屬材料牌號，本程序有一個常用金屬材料庫供選擇，而且本常用金屬材料庫還是個開放式數據庫可由用戶自由增刪。
圖3.光學系統熱環境分析數據表
建立好以上數據即可進行各種光學計算及分析，及時了解系統熱環境變化后系統成像質量的變化以便及時采取措施，更換材料以求系統熱平衡。
為了同時了解各不同環境的復雜變化，程序可以同設置多重結構進行各種不同環境溫度和大氣壓力的組合。利用如圖1窗體填寫熱平衡數據就可類似計算變焦系統一樣以動畫形式同時計算系統在不同熱環境下的像差曲線如圖4及數據值供分析參考。
圖4.系統不同環境條件下像差曲線圖
圖5.系統熱平衡多重環境單選化綜合計算
在建立完多重使用環境條件后，必須選擇如圖5中“系統熱分析”可選項后，在每次做任何光學計算時都會同時計算或顯示各種不同環境下的數據或圖形，在顯示各種曲線或圖像時會像變焦系統一樣以動畫的形式動態顯示，便于全面了解各種不同環境下系統成像質量的變化。
每次計算都要全面計算或顯示各種不同環境條件下的數據和圖形固然好，但會使整個計算量過大，影響計算與分析速度。為此還可以采用選擇在指定環境下進行計算和分析。此時只要放棄選擇“系統熱分析”，此時在該選擇條后會出現一個選擇文本框，如圖5。此時程序只計算指定環境條件下的各種數據。
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