软件教程/图纸案例
来自圈子：
闲聊杂谈
- TechWiz LCD 1D应用：高延迟膜（彩虹mura仿真） Mura是什么？简单来说mura是指显示器亮度不均匀，造成各种痕迹的现象。Mura产生的主要原因就是视觉上对于感受到的光源有不同的频率响应而感受到颜色的差异。造成mura现象的原因有很多种，本案例使用TechWiz LCD 1D仿真一种彩虹纹，在常规四畴VA结构下加入高延迟膜后，模拟其彩虹mura的现象。
1. 建模任务
1.1堆栈结构
2. 建模过程
2.1创建材料
2.2创建堆栈结构
3. 查看结果
3.1色度图（各点代表不同θ和Φ角取值）
3.2基于高延迟膜下的彩虹mura仿真结果
（图1.1 、图2.1、图2.2、图3.1、图3.2）
- VirtualLab Fusion应用：多层超表面空间板的模拟 在许多现代光学设计应用中，人们普遍倾向于使系统尽可能紧凑。手机中的摄像头就是这种趋势的最主流例子之一。虽然重点通常放在成像元件本身（例如，通过采用扁平元件来减少镜头的体积），但为了在保留所需功能的同时使系统尽可能小，解决元件之间的距离问题也是必要的。例如，可以通过将系统折叠起来，利用相同的体积实现多个传播步骤，但这并不是唯一可行的策略。
我们将介绍多层超表面空间板的模拟（由 O. Reshef 等人在他们的论文“An optic to replace space and its application towards ultra-thin imaging systems.”, Nat. Commun.12, 3512 [2021]中提出的）：一个平面部件，能够**比部件实际物理厚度更长的自由空间传播步长的响应。
光学建模和设计软件 VirtualLab Fusion 在单一软件平台上提供了丰富的可互操作建模技术，使我们能够为空间板的多层结构选择严格的S矩阵算法，并将其与其他方法（如自由空间传播或任何其他元件的方法）相结合，在精度和速度之间取得完美平衡，完成整个系统的仿真。
分层超材料（"空间板"）用于模仿自由空间中比元件实际厚度长得多的传播，同时保持原始光学系统的成像特性。
本用例介绍了分层介质元件，并概述了其选项、设置和电磁场求解器。
（图1：利用多层超表面制作空间板模型；图2：分层介质元件）
- TechWiz LCD 2D应用：半透反射式显示模式仿真 1. 建模任务
模拟条件
模拟区域：0~10
边界条件：Periodic
偏移角度：0°
单位长度：0.5
（图1：堆栈结构；图2：在TechWiz DB中创建材料；图3，4：根据具体条件需求，在TechWiz LCD 2D中创建堆栈结构，修改模拟条件和各层属性；图5：半透反射式2D结构；图6：亮度图表）
- VirtualLab：CMOS传感器仿真 CMOS传感器由于其从每个像素单独提取信息的能力以及其低成本和低功耗，已成为图像传感器的主导技术。后者主要归因于近年来CMOS像素尺寸的快速缩小。然而，小的特征尺寸也使器件功能逼近极限，因为具有非常低数值孔径的系统中的衍射会导致焦平面的纵向位移和焦斑的横向扩展。
VirtualLab Fusion在单一软件平台上提供方便的工具和强大的可互操作建模技术池，以帮助光学工程师设计和分析此类系统，以及许多其他系统。因此，在本周的时事通讯中，我们将展示一个示例，分析像素大小对CMOS传感器整体性能的影响。在此示例中，我们提供了有关Field Inside Component分析仪特性的附加信息，该分析仪在CMOS示例中用于可视化整个组件中场传播的横截面。
利用严格的FMM/RCWA，我们模拟了一个像素尺寸等于或小于2µm的CMOS传感器，并研究了在如此小的尺度下衍射效应对器件性能的影响。
介绍了一种能够显示光栅元件内部电磁场的分析仪。
（图1：微透镜阵列CMOS传感器分析；图2：场内部组件分析仪:FMM）
- VirtualLab Fusion应用：具有粗糙表面的回复反射器的反射 当试图将独立于入射方向的光大致反射回同一方向时，通常可以使用回复反射器。
这个演示展示了如何在非序列场追迹的帮助下对这种结构进行建模。它还包括通过在表面上应用随机函数来对反射器壁的粗糙表面进行建模。
(图1：系统设置1；图2：任务描述；图3：系统设置2；图4：仿真结果；图5：涡流传播）
- VirtualLab：医用衍射透镜 混合透镜结合了经典折射元件和衍射结构的优点，因此在不同光学应用中成为一种很有前景的方法，例如用于治疗白内障的人工晶状体植入。特别是，折射率和衍射表面的相反色散符号使色差的校正成为可能。
为了精确地建模和设计这种混合元件，有必要通过系统对衍射效应进行深入分析。这包括评估实际结构的衍射效率与点扩散函数(PSF)的快速精确计算相结合。VirtualLab Fusion在单一平台上高度灵活的可互操作建模技术方法是实现经典透镜精确快速建模和衍射透镜不同级次衍射效率计算的关键。
为了说明该软件在这方面的能力，在实例中分析了所设计混合透镜的近场和远场视图。此外，为了进一步优化光学函数，还研究了改变二元元件高度对衍射效率的影响。为了评估产生的PSF类似于人眼的感知，使用了光度量，如光照度和光通量，这可以很容易在VirtualLab灵活探测器概念的帮助下设定。
我们展示了如何从Zemax OpticStudio®导入一个眼内衍射透镜设计到VirtualLab Fusion中，用实际的二元结构对其进行建模，并优化结构高度以获得更好的性能。
本用例介绍了通用探测器，它允许在VirtualLab Fusion中评估和输出电磁场的任何信息。此外，通过使用非常灵活的内置或定制附加组件，它可以进一步评估入射光的信息，以计算任何物理量，例如辐射度量或光度量。
(图1：眼内衍射透镜的设计与分析；图2：通用探测器)
- 偏振相关光栅 众所周知，具有亚波长结构的光栅具有偏振敏感特性。然而，这种特性可能有害，也有可以被进一步利用，例如，我们在J. Wuster等人的工作基础上构建了一个偏振敏感的衍射光栅，并在VirtualLab Fusion中展示了其特性。此外，在另一个典型示例中利用这种偏振相关性制作线栅偏振器。根据双折射原理，构造了具有亚波长结构的二元光栅，并证明了它的偏振相关性质，利用傅里叶模态法(FMM, RCWA)分析了超稀疏介质纳米线栅网格的偏振相关性质。
（图1:偏振相关的二元谐振光栅;图2：超稀疏介质纳米线栅网格偏振器）
- VirtualLab Fusion应用：亚波长结构偏振光栅的深入分析 超稀疏纳米线栅——由周期介质导线组成的光栅结构，其截面比所使用的波长小得多——在很宽的波长范围内表现出强烈的偏振依赖性。这些特性使它们成为光学系统的纳米结构偏振器的可行选择，在光学系统中，紧凑的可积性和热稳定性是至关重要的，该方法比传统的基于双折射晶体或多层系统的方法具有明显的优势。
在本周的时事通讯中，我们对快速物理光学建模和设计软件虚拟实验室融合中的这种结构进行了详细的分析，使用了文献[J. W。Yoon等人。OE,23,28849-28856（2015）]作为参考。在这个例子中，我们不仅计算了由周期结构反射和传输的光的偏振相关效率，而且还可视化了电场如何在内部传播，清楚地说明了纳米线排列的极化行为：tm偏振部分几乎不受影响，而te偏振部分几乎完全反射。这个分析是由VirtualLab Fusion的组件内光场分析仪： FMM。你也可以在下面的链接中找到详细的指南。超稀疏介质纳米线栅偏振器组件内部光场分析仪： FMM，演示了一种分析器，它允许计算通过光栅组件传播的光场。为此目的，FMM是要采用不同形状的周期结构。利用傅里叶模态法（FMM，也称为RCWA）分析了超稀疏介质纳米线网格的偏振相关特性。
（图1：超稀疏介质纳米线栅偏振器；图2：组件内部光场分析仪： FMM）
- VirtualLab 应用：用于高NA显微镜成像的工程化PSF 显微成像技术在最近的几十年中得到迅速发展。 PSF（点扩散函数）通常不是像平面上的艾里斑。当对沿纵轴定向的偶极子源进行成像时，可以设计出一个甜甜圈形状。 我们在VirtualLab Fusion中证明，当偶极子源的方向发生变化时，会获得不同的非对称PSF（不是艾里斑）。 此外，可通过在显微镜系统的光瞳平面中插入一定的相位掩模来获得双螺旋PSF [Ginni Grover et al., Opt. Exp. 2012]。通过这种工程化的PSF，甚至可以观察到物体的微小散焦，即与传统的成像方法相比，可以大大提高轴向分辨率。 我们通过在VirtualLab Fusion中应用商业显微镜镜头（Nikon）系统来演示此现象。
在VirtualLab Fusion中，可以直接分析偶极子源的PSF。 该实验证明了当偶极子源的方向改变时，PSF具有不同的形状。
在VirtualLab Fusion中，通过在高NA显微镜系统的光瞳平面中插入相位掩模，以简单快捷的方式分析双螺旋PSF。 结果表明，即使只有一点散焦（〜130 nm）的物点，双螺旋PSF也会有旋转。
（图1：使用高NA显微镜系统分析偶极子源的PSF；图2：用于3D成像显微镜的双螺旋PSF）
- JCMSuite应用—垂直腔面发射激光器（VCSEL） 垂直腔面发射激光器 （VCSEL） 是一种特定的微型化半导体激光二极管。谐振腔通常由布拉格反射镜（分布式布拉格反射器DBR）构成，激光束发射垂直于顶部的表面。本教程案例展示了如何设置复杂的 VCSEL 几何形状，以及如何用其特有的 3D 模式轮廓、共振波长和质量因子（Q 因子）高效的计算腔膜。该设置紧跟文献中的案例（比恩斯特曼等人2001年发表的文章）。其结构形状是旋转对称的，因此您可以在圆柱坐标系统中使用共振模式求解器来计算共振。
几何体（由一个二维平面几何形状围绕 y 轴旋转以产生三维器件几何结构）和各种网格生成参数在文件layout.jcm中定义。在此特定情况下，所有层（DBR、激发层、光圈层、腔层）都在绝对坐标中定义为多边形，精度低于纳米量级。
设置网格选项，以便获得相对较大的且不太精细离散化的计算域。（在这种情况下，最薄的层只有 的厚度，而设备的直径是约 。在这种条件下，各向异性网格设置可以显著降低计算工作量。
微小特征尺寸（Tiny Feature Size）选项实际上关闭了在所有层中比Tiny Feature Size=100单位长度小的网格划分。最小网格角度（Minimum Mesh Angle）选项可以设置锐角三角形。删除内约束选项（Remove Inner Constraints）可以引入亚网格，在垂直方向上通过放置几个相同材料构成的薄层靠近彼此来实现(在本案例中是在中央空腔区域完成的)。
下图展示了上面所描绘的几何形状（左边上图DBR 是25组四分之一波层对，下面DBR 是30组四分之一波层对）和部分三角网格划分（右图，放大后是非常薄的激发层，可以看到具有尖锐三角形的各向异性网格）。
通过计算的3D解决方案，可以将计算的场分布导出到2D截面进行后处理。下图展示了平行于对称轴且通过腔体中心的截面，左图显示了光强分布，右图是场矢量分量的实部
（图1：几何形状；图2：场分布）
