1.现代光学建模仿真的现状
现代光学系统中可能包含有各种类型的光学元件，如折射透镜、衍射透镜、折衍混合透镜以及渐变折射率透镜和各种衍射光学元件，如扩束器、整形器、分束器、相位板、光栅以及自由曲面等，同时还需要使用到各种不同的光源，如相干和部分相干光源，连续和脉冲光源以及具有各种偏振特性的光源。而一个高效和完善的光学建模工具，需要将不同类型的光学元件以及光源有效的放在同一个软件平台上进行模拟仿真，并获得高精度的物理结果，如光学系统的衍射、干涉、部分相干、像差以及偏振和矢量效应等，如图1所示。
图1.现代光学建模的要求
2.场追迹光学建模平台——VirtualLab™
为了解决目前光学软件在模拟仿真中的局限性，德国LightTrans公司开发了场追迹的概念来完成对不同类型的光学元件和光源的统一化建模，场追迹方法统一了从几何光学到电磁场方法的建模技术，如应用于光场在自由空间传输的平面波谱法（SPW）、菲涅尔积分、远场积分、几何场追迹等，应用于光场在元件表面传输的倾斜算子、几何场追迹、薄元逼近（TEA）、分步光束传输方法（BPM）、傅里叶模态法（FMM）、有限元法（FEM）、积分法等，从而保证了对光学系统的各个部分进行精确的建模，从而获得高精度的物理结果。
应用场追迹概念来进行统一化光学建模与仿真的VirtualLabTM软件包，其包含有五个工具箱，分别为基本工具箱（Starter Toolbox）、衍射光学工具箱（Diffractive Optical Toolbox）、光栅工具箱（Grating Toolbox）以及激光谐振腔工具箱（Laser Resonator Toolbox）和照明工具箱（Lighting Toolbox），如图2所示。各个工具箱不仅可以应用于特定的应用领域，同时五个工具箱又可协同工作，以实现功能的最大化。
图2.由左至右：基本工具箱，衍射光学工具箱，光栅工具箱，激光谐振腔工具箱以及照明工具箱
3.主要功能及应用领域
VirtualLabTM的基本工具箱可以模拟各种光学系统的衍射、干涉、偏振和矢量等效应；使用衍射光学工具箱可以设计和优化各种衍射光学元件；使用光栅工具箱可以对各种类型的光栅进行严格的分析；使用激光谐振腔工具箱可以进行激光谐振腔的本征模和高阶模的计算和分析；使用照明工具箱可以设计紧凑的光学系统以对LED光源进行光束整形和均匀化。
1).基本工具箱——各类光学系统模拟仿真的集成
基于统一化场追迹建模方法，基本工具箱既可以模拟激光光学系统，微光学系统，衍射光学和干涉光学，又可以模拟成像和照明系统并对超短脉冲，时间和空间部分相干光以及全息复原等等进行建模，如图3所示，全息复原模拟。同时，基本工具箱提供的用户自定义功能最大限度的拓展了光学建模的灵活性和便利性，如图4所示，使用可编程函数来模拟空间光调制器。而对于其新的参数运行（New Parameter Run和新的参数优化（New Parametric Optimization）两种优化方法。前者可以通过将光学系统中的参数（如光源波长，透镜表面曲率以及元件之间的间距等）作为变量，从而对整个光学系统进行优化从而获得期望的结果；后者可以通过确定期望结果以及光学系统的变量从而对整个光学系统进行优化从而获得期望的结果，如图5所示，使用新的参数优化找出柱透镜的最佳聚焦长度从而校正半导体激光器光束的像散现象。
图3.全息图复原
图4.空间光调制器模拟
图5 左边为全发散角分别为13°和53°的半导体激光的像散波前，右边为使用新的参数优化后，半导体激光经过优化后的柱透镜所获得的波前（像散几乎被完全校正了） |
