VirtualLab Fusion原理简介
 

VirtualLab Fusion是德国LightTrans公司以场追迹概念开发出来的一款高速物理光学仿真平台，其集成了从几何光学到物理光学、从近似到严格的各种麦克斯韦方程求解器，如LPIA（局部平面界面近似）、LLGA（局部线性光栅近似）、RK-BPM（龙格库塔光束传输方法）、TEA（薄元近似）、FMM/RCWA（傅里叶模态发/严格耦合波法）等，能够对如几何透镜、自由曲面、衍射透镜、全息元件、GRIN透镜以及光栅和Meta-Grating等各类元件进行仿真和分析，以及如Geometric（几何）、SPW（平面波谱）、Fresnel（菲涅尔）、Far Field（远场）、Rayleigh Sommerfeld（瑞利索墨菲）等，能够对各种自由空间传输进行计算。同时，VirtualLab Fusion还提供了三种傅里变换方法，包括FFT（快速傅里叶变换）、Semi-Analytical  FT（半解析傅里叶变换）以及Pointwise FT（逐点傅里叶变换）。对于包含各类光学元件的整个复杂的光学系统，通过非序列追迹功能，将所需的求解器连接起来，并通过选择合适的傅里叶变换方法，以在空间域或者空间频率域进行光场传输计算，从而能够在保证计算精度的情况下，更快的完成整个系统的仿真和分析，以实现高速物理光学仿真。在整个仿真过程中，会考虑各种物理光学效应，如干涉、衍射、像差、偏振、相干以及矢量效应等。
 

集成了各类麦克斯韦方程求解器

通过连接各种场求解器以实现高速物理光学建模
 

功能特性

作为全球唯一一款基于场追迹概念来开发的高速物理光学仿真软件，VirtualLab Fusion为用户提供了光学建模和仿真所需的各种功能和特性：

• 光线追迹和光场追迹，两者可以一键切换；

• 序列和非序追迹；

• 用户可自定义选择从几何到物理、从近似到严格各种光学建模技术；

• 用户可自定义选择FFT（快速傅里叶变换）、Semi-Analytical  FT（半解析傅里叶变换）以及Pointwise FT（逐点傅里叶变换）；

• 丰富的库系统，包括光源库、元件库、界面库、介质库、材料库、探测器库等九大库系统，能够快速的完成系统的建模；

• 参数扫描和参数优化，可对系统进行公差分析以及优化；

• 多软件接口，如Macleod、LASCAD、ZEMAX、JCM Suit等；

• 可导出多种格式结构，如GDSII、STL、IGES、ASCII、Bitmap等；

• 跨平台联合仿真和优化，如MATLAB、OptiSlang、Python等；

• 基于C#语言进行二次开发；

应用领域

VirtualLab Fusion能够实现高速物理光学的建模和仿真，已广泛的应用于高校、研究所以及各知名光学企业。其主要应用领域如下：
 

1. 光束整形

VirtualLab Fusion能够使用自由曲面，衍射光束分束器与图案生成器，扩散器和常规阵列微光学元件（包括但不局限于微透镜阵列）实现光束整形。

1) 折射光束整形

2) 衍射光束整形

3) 扩散片

4) 微透镜阵列和微结构单元阵列

SLM像素处衍射效应仿真和分析

2. 光学测量

通过高速物理光学，对干涉仪、光谱仪和传统式或结构照明式显微镜的成像质量与分辨率限制进行全面的研究。

1) 干涉仪

2) 显微镜

3) 单色仪

4) 光谱仪

对包含光栅的车尼尔-特纳系统进行分析
 

3. 微纳光栅

通过高速物理光学，可以对1D和2D微纳光栅进行严格的电磁分析，获得相应的近场、衍射级次以及衍射效应，同时能够对光栅进行优化，以获得所需要光栅结构参数并集成到整个光学系统中进行分析。

1) 1D和2D介质光栅

2) 1D和2D界面光栅

3) 衍射级次计算、偏振分析以及内部场计算

4) 优化

倾斜光栅的优化
 

. 成像系统

通过高速物理光学，实现透镜系统建模。提供对包含鬼像和部分相干性的系统的可靠的PSF / MTF评估。系统中可以包含光栅，全息光学元件以及衍射透镜。

1) 衍射透镜

2) 高级PSF/MTF

3) 鬼像

4) 包含光栅的成像系统

基于高NA物镜对微结构晶圆进行成像检测

5. 激光系统

高速物理光学可以有效地实现对激光光源、衍射、干涉、偏振的建模，并且可以使用任意感兴趣的光束参数。

1) 激光传输

2) 扫描系统

3) 飞秒脉冲

4) 激光晶体

激光扫描系统的建模和仿真
 

6. 虚拟和混合现实
 

针对AR,VR以及MR应用，VirtualLab Fusion为用户提供了多通道波导成像系统的非序列建模技术，建模过程中能够对波前差、能流以及PSF/MTF进行评估。
 

光波导全视场角光线追迹

典型应用示例

1. 基于各种干涉仪的测量系统仿真和分析

2. 基于锥透镜生成无衍射贝塞尔光束

3. 包含光栅的复杂光学系统仿真和分析

4. 光纤耦合系统的设计和优化

5. 基于表面光栅的光波导结构模拟与设计

6. 基于VCSEL阵列的点阵投影仪的人脸识别系统

7. 超表面结构的设计和优化

8. 非周期性微透镜阵列整形

9. 衍射透镜的设计和分析

10. 跨平台联合仿真与优化