现代光学系统可能包含大量不同种类的光学元件，例如折射透镜、衍射透镜、折射-衍射混合透镜、菲涅耳和渐变折射率透镜，以及衍射光学元件，例如扩束器、光束整形器、衍射光束 分束器、计算全息术、相位板、光栅、自由曲面器件和微透镜阵列。 它还涉及使用光源的不同特性手机物理模拟实验软件，例如相干性、颜色和偏振。
有效的光学建模需要将所有这些类型的设备和光源放在一个软件平台中，然后进行高精度和快速模拟。 就是这样一个软件平台。
是日本公司基于场追迹概念开发的高速化学光学仿真平台。 它集成了从几何光学到化学光学，从近似到严格的各种麦克斯韦多项式求解器，如LPIA（局部平面界面近似）、LLGA（局部线性光栅近似）、RK-BPM（龙格-库塔光束传输法）、TEA（ Thin ), FMM/RCWA ( Mode / Wave )等。透镜、自由曲面、衍射透镜、全息器件、GRIN透镜、光栅和Meta-等各种器件的仿真分析，如还有（）、SPW（平面谱）、（）、（远场）、（ ）等，可以估计各种自由空间传输。
同时，它还提供了三种傅里叶变换方法，包括FFT（快速傅里叶变换）、Semi-FT（半解析傅里叶变换）和FT（逐点傅里叶变换）。 对于包括各种光学器件在内的整个复杂光学系统，通过非时序追迹功能，连接所需的求解器，选择合适的傅立叶变换方法，在空间域或空间频域求解光的传输估计场，从而在保证估计精度的情况下更快地完成整个系统的仿真分析，从而实现高速化学光学仿真。 在整个模拟过程中，都会考虑干涉、衍射、像差、偏振、相干性和矢量效应等数学光学效应。
作为全球唯一一款基于场追迹概念开发的高速化学光学仿真软件，为用户提供了光学建模仿真所需的各种功能和特性：
技术背景
01
现场跟踪
快速化学光学系统建模是通过链接不同的求解器来实现的，而不是将一个通用的求解器应用于整个系统。在图 1 所示的结构光照明显微镜模型中，电场在 κ 域中形成
，可以通过平面谱（SPW）算法精确获得κ域中的自由空间传播算子
传输电场。当场从光栅衍射时，使用
算子跟踪它，这是由 FMM 算法在 κ 域中严格估计的。 然后通过自由空间算子传播。
图1 结构光照明显微镜系统示意图。 准直激光束照射光栅。 衍射光束然后通过透镜，0 级光在后焦平面处被掩模阻挡。 ±1 阶然后通过第二个透镜传播并在第二个透镜的后焦平面处发生干涉，从而产生中间图像。然后通过由管透镜和高 NA 目镜组成的 4f 装置缩小中间图像以产生一个样品平面上的照明图案
讯德光电做的具体应用SIM，假设进入镜头的视场在几何区域内。 为此，可以使用几何傅里叶逆变换来加速整个建模过程。 然后，应用 LPIA 在空间域中通过透镜的曲面界面传播场。 然后执行几何傅里叶变换以获得 κ 域中的场。 我们重复自由空间传播、逆几何傅立叶变换、LPIA 和几何傅立叶变换以获得 κ 域中样本平面上的场。 然后执行严格的傅立叶逆变换，从而准确地模拟孔径的衍射，再次应用几何傅立叶逆变换而不考虑孔径的衍射。 整个建模过程如图2所示，可以简单地用表1表示[1]：
图2 场追踪示意图。 (p,ω) 表示算子在空间域。 (κ,ω) 表示算子在 κ 域中。
表示自由空间传播算子。 乐队
表示空间域和 κ 域的单向算子。
和
分别是空间域到κ域的傅里叶变换和κ域到空间域的傅里叶逆变换
表1 结构化照明的微系统建模步骤
02
自由空间传输——傅里叶变换技术
化学光学中使用的大多数基本、严格的方法都是在空间卷积中定义的：平面波谱 (SPW) 传播算子和 FMM 就是这种情况。 但并非所有模态都是这样的：其中一些模态（例如 LPIA）是在空间域中定义的。 众所周知，这两个域（即空间域和时空域）之间的联系由傅里叶变换给出：如果我们想在两个域中定义的同一系统中组合方式，则优化傅里叶变换步长似乎是非常重要的[2]。 傅里叶变换原理参见上图2。
中提供了三种不同类型的傅里叶变换算法和相应的傅里叶逆变换，包括快速傅里叶变换（FFT）、半解析傅里叶变换（SFT）和逐点傅里叶变换（PFT）。 快速傅立叶变换 (FFT) 的引入是朝着更快、更高效的数学光学建模和设计迈出的关键一步，但是，由于 FFT 需要对包的相位进行良好采样，因此我们提出了专门的半解析傅立叶变换 ( SFT）处理系统中的二次相位项以减少数值采样并提高估计率。
除了当场分量表现出强波前相位时对估计数值样本进行下采样之外，我们还了解到具有强波前相位的场的傅里叶变换表现出可以描述为振幅的双射映射的行为分布，如图3所示，基于此，我们得到可以使系统具有更快估计速率的逐点傅里叶变换（PFT）。 右图3为系统中基于不同NA的三种不同傅里叶变换方法的数值采样变化对比。 可以发现，随着系统NA的减小，FFT和SFT的样本数大大减少，这意味着对估计资源的要求更高，而PFT可以保持样本数相对较低，从而增加估计率。
图3 随着系统NA的减小，FFT采样急剧下降，而早期的SFT采样缓慢下降。 然而，当 NA 很大时，FFT 和 SFT 采样都大大减少，只有 PFT 采样仍然很低。 因此，在这些情况下，使用PFT可以进行快速建模和仿真
03
麦克斯韦光场求解器
内置和外置各种类型的麦克斯韦求解器，如右图4所示，包括傅立叶模态法（FMM）和薄元近似（TEA）算法，用于严格分析微纳结构，用于透镜系统Local Plane (LPIA)，采用Runge-Kutta Beam (RK-BPM)等快速有效的算法，适用于光纤、GRIN透镜等渐变折射率介质手机物理模拟实验软件，本节只讨论部分算法简介.
图4中各种类型的麦克斯韦求解器（左）和用于不同类型设备的特定求解器的分布（右）
LPIA 求解器以局部点状方式在空间域（x 域）中工作。 求解原理是：将表面的输入场看成局部平面波（LPWs）的组合，每个局部平面波看到的表面部分看成平面界面（local），但LPW和LPW之间的相互作用局部平面界面可以用菲涅耳（或层）矩阵建模。 在表面的任意位置，应用近似局部边界条件，假设 LPW 与局部平面界面相互作用。 因此，菲涅尔矩阵（或电镀矩阵）可用于连接输入和输出场 [3]。
图5 局部平面逼近算法&LPIA算法的验证
傅立叶模态法 (FMM) 可用于严格剖析光栅效率。 在 中，您可以设置栅格系统，执行严格的分析，并以不同的方式呈现结果（如栅格级集合、单值...）。 结合参数运行，您还可以扫描给定的参数空间，以研究给定结构在不同配置下的性能。 对于参数运行结果的评估，几种评估工具将使您对光学器件有最好的了解。
FMM 是针对麦克斯韦多项式的完善的严格求解器。 结合S矩阵，可以精确模拟电场在任意微纳结构上的传播。 在场追踪的概念中，可以表示为：
(6)
在
是反射场 κ 域中的单向算子。 如果我们单独考虑衍射级，这意味着输出场的 ak 被认为是输入场的 k'。 于是，式6可以写成：
(7)
其中 j 表示第 J 阶。 和LPIA的情况类似，输入字段和输出字段有映射关系。 如果我们只考虑感兴趣的阶数，所有阶数的积分就变成了感兴趣阶数的总和。 这就是为什么可以进行快速化学光学的原因之一。通过将任意结构切割成层，可以通过 FMM 与 S-
操作员。 对于场在均匀介质中的反射，可以估算为：
(8)
上标 (L) 表示层数。 在传输的情况下，
可以用类似的方式估计算子[1]。
图 6 样品平面上的结构化照明模型。 (a) 偏振光角度α=90°时的能量密度。 (b) 偏振光角度α=0°、30°、60°和90°的能量密度分别以白色、红色、绿色和橙色显示，对应的对比度分别为c=0.60、0.71、0.88 , 和 0.99
图7 中间像面的衍射能量密度分布 (a) 数值模拟结果 (b) 实验结果
应用领域及案例展示
根据不同的应用方向，可分为五个应用领域，包括：光束整形、光学检测、成像系统、激光系统、虚拟和混合现实。 以下是各应用领域的具体应用及案例图：
可以对激光和LED光源实现整形、分束和均匀化，完成照明系统的设计和仿真任务。 该软件包侧重于使用透镜阵列、衍射光学器件和由光栅、反射镜和棱镜组成的晶胞阵列。 对于设计的设备，加工数据可以多种格式导入，包括STL和GDSII； 同时支持与SLM交互。 高速化学光学模拟和优化算法使此类光学设备的设计成为可能。 建模考虑了衍射、干涉、偏振度和相干性。
通过在
研究了透镜像差对光束整形系统性能的影响
自由曲面光束整形示意图
光学在整个历史上提供了难以置信的精确检测手段，它是实现科学技术潜力的重要组成部分。 检测系统的分析不可避免地需要考虑化学光学效应（相干性、偏振态、干涉、衍射等），以获得真实可靠的结果。 高速化学光学理论为这些解剖提供了必要的工具，而且有助于快速模拟。
扫描干涉测量法是一种检测表面高度的技术。借助白光源的低相干性，在氙气的配合下，构建迈克尔逊干涉仪来检测前表面平滑变化的样品
微结构晶圆计量光学——高 NA 晶圆计量系统的快速化学光学模拟，通常用于半导体行业以检测晶圆上的缺陷
用于光学测试的 干涉仪——使用非连续场跟踪，构建了一个 干涉仪，显示来自几个不同测试表面的干涉白
通过高速化学光学对镜头系统进行建模。 为包含重影和部分相干的系统提供可靠的 PSF/MTF 估计。 系统可以包括光栅、全息光学器件和衍射透镜。 成像系统是光学的历史基石之一。 它们的应用多种多样，因此提出的要求基于：包括衍射器件和传统透镜的系统、高级 PSF/MTF 的估计、系统中多次反射的考虑。
嵌入在用户友好界面中的高速化学光学建模可帮助您在光学系统中成功模拟上述所有内容。
高数值显微镜系统。焦平面放置线性光栅
随着光栅周期变小，可以分析显微镜系统的码率
借助非连续光线和场追迹技术，对望远镜进行建模，充分考虑两个全长镜之间的多次反射，研究不同入射角下的图像质量
3D光线追踪图
通过非序列场跟踪在目标平面上获得的重影现象
高速化学光学可以有效地实现激光源、衍射、干涉、偏振和非线性效应的建模，但是可以使用感兴趣的任意光束参数。 激光系统模拟多模以及单模、连续波和脉冲激光源。 可以设计包括透镜、反射镜、衍射光学器件、光栅和全息图在内的激光系统。 高速精确场追踪和光线追踪引擎在具有直观用户界面的单一软件中提供。
使用非球面透镜的二维激光扫描系统
激光晶体中偏转引起的双折射：通过观察作为偏转硬度函数的输出场来研究 YAG 晶体中偏转引起的双折射
为了充分表征超短脉冲的聚焦行为，必须考虑不同的电磁特性。 这包括空间分布、时间、光谱分布、矢量效应以及它们之间所有可能的耦合。以高 NA 投射镜聚焦 10-fs 脉冲为例，模拟了聚焦过程和时空行为聚焦过程的研究
针对VR、AR和MR应用，为用户提供多通道波导成像系统的非时序建模技术，还可以在建模过程中评估波前差、能量流和PSF/MTF。 在现代显示技术中，成像通道（换句话说，从成像面板到眼睛的光路）必须紧凑，这也会在面板和眼睛之间引入纵向倾斜。
据悉，我们通常需要复用成多个成像通道，从而为人眼在不同位置提供图像。 因此，包含光栅的波导受到越来越多的关注。 为了实现非序列光线追踪和场追踪建模，设计具有以下特点的组件：包括光栅效应的电磁感应，自动检测通过波导的所有相关光路，甚至可以考虑通道的部分相干效应人眼在任意位置估计多通道输入的PSF/MTF。
具有“蝶形瞳孔扩张”的光导系统
眼箱内光分布的纵向均匀性评估
近眼显示系统结构：采用光波导导光，采用光栅进行光耦合和多通道扩展。左图为结构； 下图显示了建模模型
光在近眼显示系统中的非顺序传播和光栅异视导致鬼像
参考：
1. R. Shi, N., R., C., and F. 'Fast-'，Proc。 ，II，（2018 年 6 月 18 日）
2. Z. Wang、S. Zhang、O.-、C. 和 F. 'of the Semi-to'，选择。 27, 15335-15350 (2019)
3.讯德光电《高速化学光学软件使用指南》