強(qiáng)大、高效的衍射分析工具

無(wú)論你設(shè)計(jì)的是哪種光學(xué)系統(tǒng)——激光、微透鏡陣列、自由空間光子器件、CCD，或者一些天文應(yīng)用——CODE V的光束合成傳播工具(BSP)比任何其他商業(yè)工具更準(zhǔn)確和高效地進(jìn)行光束傳播分析。

BSP基于光束波動(dòng)傳播算法可提供極其精確的可考慮光束通過(guò)整個(gè)透鏡系統(tǒng)的衍射傳播模型。在常規(guī)的基于FFT的衍射計(jì)算精度較低或完全失敗的情況下，BSP可以很好地工作。它可以傳播標(biāo)量場(chǎng)或矢量場(chǎng)，并且可通過(guò)任何可進(jìn)行光線追跡的對(duì)象，如GRIN材料，雙折射材料，和非序列表面。

圖1：BSP支持全矢量場(chǎng)傳播。這張圖顯示了里奇-克萊琴望遠(yuǎn)鏡的線偏振光Z分量的焦平面強(qiáng)度。

光學(xué)研究協(xié)會(huì)最初為NASA開(kāi)發(fā)了BSP，以解決類(lèi)地行星探測(cè)任務(wù)中嚴(yán)格的精度挑戰(zhàn)。BSP能夠精確地模擬太陽(yáng)的輻射強(qiáng)度，將太陽(yáng)系外一顆非常暗淡的類(lèi)地行星與周?chē)暮阈菂^(qū)分開(kāi)來(lái)，從而滿足了任務(wù)要求。

BSP提供了：

• 一種先進(jìn)的算法。BSP可使用更少的光束給出更準(zhǔn)確、更高效的結(jié)果。

• 前所未有的易用性。

• 在系統(tǒng)中靈活的定義詳細(xì)的光束傳播參數(shù)。

• 用于驗(yàn)證和顯示結(jié)果的各種輸出類(lèi)型。

• 廣泛的適用性。

• 完全集成于CODE V。

• 模擬中頻誤差的能力。

先進(jìn)的基于光束的算法

BSP采用基于光束衍射傳播算法來(lái)模擬光在整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)中的波動(dòng)特性。入射光束可以是一個(gè)變跡的球面波、平面波或高斯光束。BSP包括孔徑裁剪、光波斷開(kāi)連接(例如，慢光束)，中間像結(jié)構(gòu)和鏡頭像差等因素引起的衍射效應(yīng)。它比使用出瞳衍射計(jì)算或基于FFT或角譜方法的光束傳播具有更高的精度。

圖2：上圖為一條細(xì)光束，它由基光線和初始定位于基光線的場(chǎng)組成。

BSP將光場(chǎng)近似為單光束的集合。單光束由基光線和初始定位于基光線的場(chǎng)組成。基光線為每個(gè)光束定義了參考位置和方向。

由于波方程是線性的，這些光束是獨(dú)立傳播的，可以在其后任意位置求和得到傳播光場(chǎng)。這種方法可以將光束傳播到任何可以被光線追跡的地方。

BSP基于光束算法的獨(dú)特之處在于它比其他基于光束的方法傳播更少的光束，同時(shí)獲得更準(zhǔn)確的結(jié)果。

圖3：一種理想的圓形孔徑裁剪系統(tǒng)的遠(yuǎn)場(chǎng)比較。這張圖顯示，BSP的方法使用了2581根光束比使用了4927根光束的傳統(tǒng)方法在25環(huán)上獲得了更好的精度。

光束傳播前所未有的易用性

BSP最顯著的優(yōu)點(diǎn)之一是它的預(yù)分析功能，幫助非專(zhuān)業(yè)的波束傳播設(shè)計(jì)用戶(hù)獲得專(zhuān)家級(jí)的結(jié)果。為任意的光束傳播分析確定合適的輸入是具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。預(yù)分析功能通過(guò)為用戶(hù)鏡頭系統(tǒng)推薦定制的分析輸入來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。這有助于確保結(jié)果的準(zhǔn)確性并節(jié)省無(wú)數(shù)花在設(shè)置上的時(shí)間。

預(yù)分析首先通過(guò)使用測(cè)試光束的子集對(duì)系統(tǒng)執(zhí)行快速掃描。然后根據(jù)結(jié)果，它為各種設(shè)置提供建議，包括輸入場(chǎng)的采樣、輸出網(wǎng)格的位置、重新采樣表面和檢查剪裁表面。預(yù)分析還將根據(jù)這些建議的設(shè)置估計(jì)光束傳播分析的執(zhí)行運(yùn)行時(shí)間。

圖4：BSP的預(yù)分析功能，為用戶(hù)的鏡頭系統(tǒng)建議定制化分析參數(shù)。

在系統(tǒng)中靈活的定義詳細(xì)的光束傳播參數(shù)

雖然預(yù)分析功能使BSP只需要很少的輸入，并易于使用，但是高級(jí)用戶(hù)實(shí)際上可以靈活地控制傳播過(guò)程的各個(gè)方面、閾值、以及參數(shù)，也包括預(yù)分析的建議。控制措施包括:

• 多色分析

• 傳輸變化檢查

• 剪裁檢查保真度

• 計(jì)算精度

用戶(hù)也可以選擇在命令行里運(yùn)行BSP或者在圖形化用戶(hù)界面運(yùn)行。

圖5：BSP為高級(jí)用戶(hù)提供了對(duì)所有傳播參數(shù)的完全控制，也包括預(yù)分析建議。

用于驗(yàn)證和顯示結(jié)果的各種輸出類(lèi)型

BSP提供文本和圖形輸出，幫助用戶(hù)輕松地顯示和理解結(jié)果。輸出可以描述在不同表面與場(chǎng)相關(guān)的各種量，包括振幅、相位、強(qiáng)度和輻照度。從光束腳印圖到橫截面切片圖和高斯光束表，用戶(hù)有許多用于分析數(shù)據(jù)的選項(xiàng)。

圖6：BSP光束腳印診斷圖為設(shè)計(jì)人員提供了一種簡(jiǎn)單的、直觀的方法來(lái)評(píng)估BSP光束在光學(xué)系統(tǒng)的任何表面上的大小和方向。

為系統(tǒng)提供廣泛適用性

具有散光光束，偏振輸入光場(chǎng)，低f值(如微光刻透鏡)，或不連續(xù)光瞳的系統(tǒng)都可以用BSP進(jìn)行精確分析。該特性也適用于近場(chǎng)衍射分析和在焦點(diǎn)附近對(duì)振幅或相位進(jìn)行修改的光學(xué)系統(tǒng)，如光柵、相位板或空間濾波器。

BSP支持多種波長(zhǎng)和偏振，因此可以精確地分析具有散射材料、金屬表面和多涂層，以及分束器和偏振器的系統(tǒng)。

圖7：用BSP精確的模擬偏振效應(yīng)，如圖所示，此系統(tǒng)包含線性偏振器。

完全集成于CODE V

BSP完全完全集成于CODE V，提供最全面的光學(xué)設(shè)計(jì)和分析環(huán)境。例如，BSP的復(fù)雜場(chǎng)輸出可以用來(lái)計(jì)算光纖耦合效率，包括偏振相關(guān)的損耗。

模擬中頻誤差效應(yīng)

CODE V支持模擬真實(shí)世界中頻表面誤差對(duì)光學(xué)表面的影響。這種誤差通常出現(xiàn)在使用金剛石車(chē)削或高端拋光方法加工的表面。

可以通過(guò)指定功率譜密度(PSD)的參數(shù)來(lái)描述器件表面誤差，然后使用BSP來(lái)預(yù)測(cè)由于中空頻表面誤差導(dǎo)致的衍射圖像退化，如下面的BSP顏色圖所示。

總結(jié)

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