作為VirtualLab Fusion的開(kāi)發(fā)者，我們認為光線(xiàn)光學(xué)和物理光學(xué)并不是用戶(hù)必須選擇的兩種分離的建模技術(shù)。在我們的概念中，光線(xiàn)追跡形式的光線(xiàn)光學(xué)是物理光學(xué)建模的一個(gè)子集。而在VirtualLab Fusion中，這不僅僅是一種學(xué)術(shù)主張，而是我們通過(guò)物理光學(xué)和光線(xiàn)光學(xué)建模之間的無(wú)縫且可控的轉換，將其引入到現實(shí)生活中的經(jīng)驗。
理論背景
VirtualLab Fusion中的高速物理光學(xué)系統建模是由數學(xué)上表示為求解器的操作符來(lái)表示的。我們用這種方法連接求解器，并且我們稱(chēng)之為場(chǎng)追跡連接求解器。求解器可以在x域和k域工作。傅立葉變換連接了這些域�？梢钥闯�，被傅里葉變換的光場(chǎng)顯示出低衍射效應的情況下，積分傅里葉變換(快速傅里葉變換FFT的形式)可以被逐點(diǎn)傅里葉變換（PFT）代替[wang2020]。這個(gè)替換是在VirtualLab Fusion的Modeling Level 3中自動(dòng)完成的。逐點(diǎn)傅里葉變換和快速傅里葉變換之間切換的標準是相對衍射功率，它是菲涅耳數的推廣。通過(guò)在部分系統中實(shí)施逐點(diǎn)傅里葉變換，衍射效應可以獨立于相對衍射功率而被忽略。這是在不離開(kāi)物理光學(xué)建模的情況下完成的，并且我們仍然包括仿真例如干涉、散斑、相干和偏振效應。當一個(gè)系統中的所有傅立葉變換都被強制為逐點(diǎn)變換時(shí)，衍射在整個(gè)系統中被忽略了，我們經(jīng)常在物理光學(xué)中獲得完整的逐點(diǎn)建模。當我們只考慮采樣點(diǎn)位置的映射并在x域中連接它們時(shí)，我們就獲得了物理光學(xué)中的光線(xiàn)光學(xué)[Balardron 2019]。這可以理解為物理光學(xué)背景下光線(xiàn)追跡的一種推導。我們認為這是一個(gè)驚人的理論，它是VirtualLab Fusion中光線(xiàn)光學(xué)的基礎。
這將指導我們對應逐點(diǎn)傅立葉變換在系統的不同部分來(lái)應用Modeling level 1和2。
Modeling Level 1
在建模級別1中通過(guò)強制所有的傅里葉變換都是逐點(diǎn)的，衍射完全被忽略。這種建模在焦點(diǎn)區域檢測不到光的應用中通常就足夠了，例如遠場(chǎng)光束整形[Yang2020]、干涉儀裝置和分束光柵。
如果光源是激光光束，通常建議選擇衍射光源（Diffraction of Source Included）模式下的選項。以束腰定義的高斯光束為例。它在瑞利長(cháng)度上的傳播由衍射所主導。這確保包括在“Diffraction of Source Included”內的選項的初始光場(chǎng)的傅里葉變換是由相對衍射效率自動(dòng)選擇的。
Modeling Level 2
在Modeling Level 2中，通過(guò)在探測器選擇由相對衍射效率自定義的傅里葉變換，衍射會(huì )在所有探測器區域仔細考慮到。尤其關(guān)鍵的是當探測器位于光的聚焦區域時(shí)，例如在透鏡系統的像平面或焦平面中[wang2020]。在透鏡系統中，它提供了點(diǎn)擴散函數(PSF)和MTF的高精度計算，包括衍射、像差、偏振和矢量效應。Modeling Level 2也適用于當你研究微觀(guān)結構產(chǎn)生的光線(xiàn)時(shí)的情況。
如果光源是激光光束，同樣在Modeling Level 2中，通常建議選擇衍射光源（Diffraction of Source Included）下的選項。
Modeling Level 3
在最高的建模級別，所有傅立葉變換都是由相對衍射效率自動(dòng)選擇的。通過(guò)這種方式，在系統中任何需要的地方衍射都會(huì )被考慮。這使得例如經(jīng)過(guò)透鏡系統的傍軸光束傳播的精準建模以及系統中的多個(gè)以及串聯(lián)孔徑的建模成為可能。
請記住，計算時(shí)間會(huì )隨著(zhù)建模級別的增加而增加，建議使用您的應用所需的最低級別。
Customized Modeling
對于更有經(jīng)驗的用戶(hù)，我們提供定制建模（Customized Modeling）。
不同的傅里葉變換的選擇可以根據光源模式、元件和探測器來(lái)選擇。這就能夠研究不同配置的效果和性能優(yōu)化。
通過(guò)選擇元件和探測器內部的傅立葉變換選項，可以更具體地進(jìn)行定制。
光線(xiàn)追跡
當場(chǎng)信息被跳過(guò)并且采樣點(diǎn)的位置(光線(xiàn)光學(xué)中的光線(xiàn)位置)和波前的局部法向量(光線(xiàn)光學(xué)中的光線(xiàn)方向)結合波前相位被考慮時(shí)，也包括像差，利用級別1的物理光學(xué)建模接近于光線(xiàn)光學(xué)建模。
VirtualLab Fusion提供了這種通過(guò)光線(xiàn)追跡（Ray Tracing）建模的光線(xiàn)光學(xué)建模。有光線(xiàn)光學(xué)定義的探測器均被評估。其他只顯示點(diǎn)列圖。
光線(xiàn)光學(xué)建模也可以通過(guò)Rays in System由系統中的光線(xiàn)顯示。
由于光線(xiàn)光學(xué)是從Modeling Level 1中推導出來(lái)的，因此，在光線(xiàn)光學(xué)中，我們也有一個(gè)與“Diffraction of Source Modes Included”選項相關(guān)的特征。它被稱(chēng)為“Include Diffraction-Induced Contribution to Ray Direction”。光源模式衍射對光線(xiàn)方向有直接影響。有關(guān)更多信息請參閱用于光線(xiàn)追跡的光線(xiàn)的產(chǎn)生（Generation of Rays for Ray Tracing）。
推薦的建模工作流程
所有的技術(shù)都提供了完整的非序列建模，可以根據您的需求進(jìn)行配置。您可以一次性構建系統，并且可以根據自己的選擇應用從序列到非序列的光線(xiàn)光學(xué)或者物理光學(xué)建模。
通過(guò)不同的建模選項，VirtualLab Fusion提供了獨特的建模工作流程：
1.用光源、元件和探測器設置您的系統。
2.使用Rays in System來(lái)評估您的系統。這為您提供了第一個(gè)建模印象，并告訴你系統的配置是否正確合理。在這里，您也可以嘗試“Include Diffraction-Induced Contribution to Ray Direction”選項。
3. 接下來(lái)執行光線(xiàn)追跡（Ray Tracing）建模，獲得對系統行為的下一步了解，以及首次檢查探測器是否處于正確的位置。
4.繼續使用場(chǎng)追跡（Field T racing）級別1建模以獲得最初的物理光學(xué)結果。
5.場(chǎng)追跡（Field T racing）級別2為大多數光學(xué)系統(包括透鏡系統)提供精確的建模結果。如果1級和2級建模產(chǎn)生相同的結果，傳播到探測器的場(chǎng)的衍射可以忽略不計。
6.通過(guò)使用場(chǎng)追跡（Field T racing）級別3，VirtualLab Fusion在需要的地方考慮到所有的衍射效應。該級別的建模結果與級別1建模的差異越大，衍射效應在系統建模中就越重要。
7.最后，您可以定制場(chǎng)追跡配置，以便更深入地了解其影響并優(yōu)化性能。預選的逐點(diǎn)傅里葉變換越多，模擬速度就越快。
8.如果您的建模配置良好，您可以將其與參數運行和優(yōu)化工具相結合，用于您的系統研究和優(yōu)化。
來(lái)源
Z. Wang, O. Baladron-Zorita, C. Hellmann, and F. Wyrowski, ‘Theory and Algorithm of the Homeomorphic Fourier Transform for Optical Simulations’, Optics Express (2020); https://doi.org/10.1364/OE.388022
O. Baladron-Zorita, Z. Wang, C. Hellmann, and F. Wyrowski, ‘Isolating the Gouy Phase Shift in a Full Physical-Optics Solution to the Propagation Problem’, J. Opt. Soc. Am. A 36, 1551-1558(2019); https://doi.org/10.1364/JOSAA.36.001551
L. Yang, I. Badar, C. Hellmann, and F. Wyrowski, ‘Light shaping by freeform surface from a physical-optics point of view’, Optics Express (2020); https://doi.org/10.1364/OE.392420
Z. Wang, O. Baladron-Zorita, C. Hellmann, and F. Wyrowski, “Generalized Debye integral “, Opt. Express 28, 24459-24470 (2020), https://doi.org/10.1364/OE.397010
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