前言
在光学设计领域，镜头系统是核心研究对象，镜头相关设计与仿真在光学设计中占据着重要比重。传统镜头分析多依托几何镜头设计等专业工具，而在需要精细化衍射分析的实际场景中，光学仿真需兼顾衍射效应等关键物理特性。本次我将以像散转换器为实操案例，为大家讲解如何通过 VirtualLab Fusion 导入镜头文件，完成包含衍射分析的光学系统仿真。
图1. 模式像散转换器概念图
如图1所示，像散转换器，即Astigmatic Mode Converter，是由一对柱透镜组成的器件，最早由Allen等人提出，用于将厄米高斯光束转化为涡旋光束。像散是激光束的一种固有光学特性，表现为光束在 X、Y 两个正交方向上的聚焦点不重合，而模式像散转换器通过精密设计的光学结构（如特殊柱面镜组、相位调制元件、光纤光栅等），可定量调控激光的像散量与像散方向：既能校正激光自身的像散缺陷，也能主动引入可控像散，让激光束从 “非对称形态” 转化为 “对称形态”，或从单一模式切换为目标模式。如果把激光束比作一条 “水流”，普通激光的像散就像水流在左右和前后方向的流速、宽度不一致，而模式像散转换器就像一套精密的 “河道整形器”—— 既能把歪歪扭扭的水流调得笔直均匀，也能按需求把水流塑造成特定形状，让激光精准匹配后续的使用场景。
利用模式像散转换器件可以将光纤激光输出的椭圆光斑（带固有像散）转化为圆形高斯光斑，解决高功率激光加工中光斑能量分布不均的问题；它还可以消除超快激光、半导体激光在传输过程中产生的像散，保证激光聚焦精度，提升光刻、激光切割的加工质量；利用模式像散转换器根据需求生成特定像散的激光模式，满足光通信、量子光学、激光雷达等前沿领域的特殊光路要求。
像散转换器的核心组件是柱透镜，它是只有一个方向有曲率，在另一个方向完全平直的镜片--就像把圆柱形玻璃切了一片，只在 “母线方向” 具备聚焦 / 发散能力，另一方向对光线 “视而不见”。柱透镜可以进行非对称聚焦：只改变光线在单一方向的传播路径，比如把发散的激光束 “压成” 一条线，或把平行光聚焦成直线光斑；焦距从几毫米到几百毫米可定制，比如 70mm 焦距的平凸柱面镜，是激光划线、条码扫描的常用款；常用材质为 N-BK7、石英、蓝宝石等，可耐受高功率激光，适配不同波长（1064nm、532nm 等）。它常常被用于比如工业生产中在板材上投射精准直线；或者用于激光扫描，配合振镜实现一维方向的光束压缩；如眼科仪器中矫正光线，或生化分析仪的光路塑形也有它的身影。它还可以结构光投影中生成线性光斑，辅助三维成像。
柱透镜的种类
图2. 柱透镜的三种结构
如图2所示，根据柱面镜表面的类型可以将它分为平凹柱面镜、平凸柱面镜和双凸柱面镜。单个平凸柱透镜由一个矩形平面和一个圆柱面构成，前表面分别称为母线和弧线，根据焦距公式R=f(n-1), f为镜头焦距，n为折射率，R为曲率半径，矢高公式为  ，W为半弧线宽。这里设置宽度和长度都为20mm，材料为BK7，焦距为100mm，对应的曲率半径为51.68 mm。可以利用常用的软件生成镜头文件，也可以用VirtualLab Fusion中的Lens Sytem表面编辑的功能进行编辑。
VirtualLab Fusion仿真
VirtualLab Fusion支持导入外部镜头文件，导入对应的镜头文件后会自动生成一个光路编辑器，如图3所示。
图3. 导入外部镜头文件生成的光路编辑器
如图4，点击编辑表面，可以把对应的Elliptical改成Rectangular，表示从（椭）圆形变为矩形。设置完成之后可以将标签改为CL1，选中CL1，复制、粘贴，将其命名为CL2，然后将其翻转（选中之后点击Turn Component）。这么做是为了让两个凸面相对，据说可以减小像差。在VirtualLab Fusion中也可以自行定义镜头，在光路编辑器中从Components->Multiple Surfaces-> Lens system 添加透镜系统，然后点击Add按钮添加平面和圆柱面。
图4. 编辑柱面镜的表面
设置CL2和CL1的距离为141，为啥是141mm呢，这个距离其实是有讲究的，是什么讲究呢？原来啊，对于两个焦距均为f的柱面透镜，如果其距离为根号2倍f，那么就称为π/2像散转换器，作用是产生π/2的相位补偿。根号2正好是1.41。
图5. 翻转镜头并设置CL1和CL2的距离为141 mm
这里补充一句，在VirtualLab Fusion中你总是可以选中任意多个元件，利用Combine Components 的功能将这些元件合多为一，如图6所示。这有点类似MATLAB中的函数封装，你不必知道这个盒子里面有什么东西，你总是可以把它当作一个线性系统，输入一个参数，从而得到另外一个参数。在实际的仿真过程中，对于复杂系统，这么做是十分方便的。
图6. 将两个CL合成为一个Lens System
利用光线追迹引擎可以对柱透镜组进行光线追迹分析，从图7可以看到在一个面上没有聚焦效果，在两一个面则具有聚焦效果。
图7. 模式像散转换器VirtualLab Fusion光线追迹结果
场追迹的结果如图8所示：可以看到将3阶涡旋光转换成了倾斜像散厄米高斯光束
图8. 光源分布（左）和模式像散转换器VirtualLab Fusion场追迹结果（右）
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