VirtualLab Fusion光之数字模型平台

VirtualLab Fusion光之数字模型平台原理简介

现代光学系统是由光源、元件和探测器等组件复杂组合而成。虽然您可以找到针对单个组件的仿真工具，但全系统仿真常常会受到仿真概念和软件工具不兼容的阻碍。VirtualLab Fusion光之数字模型平台是德国LightTrans公司以场追迹概念开发出来的一款跨尺度光学仿真平台，其集成了各类不同的光源、元件、探测器等系统组件对应的光学数字模型，主打统一化、全链路、跨尺度物理光学仿真，解决传统光学仿真工具割裂、不兼容、难以做系统级仿真的痛点，助力光学研发加速创新。

VirtualLab Fusion光之数字模型平台集成了从几何光学到物理光学、从近似到严格的各种麦克斯韦方程求解器，如LPIA（局部平面界面近似）、LLGA（局部线性光栅近似）、RK-BPM（龙格库塔光束传输方法）、TEA（薄元近似）、FMM/RCWA（傅里叶模态法/严格耦合波法）等，能够对如几何透镜、自由曲面、衍射透镜、全息元件、GRIN透镜以及光栅和Meta-Grating等各类元件进行仿真和分析，以及如Geometric（几何）、SPW（平面波谱）、Fresnel（菲涅尔）、Far Field（远场）、Rayleigh Sommerfeld（瑞利索墨菲）等，能够对各种自由空间传输进行计算。同时，VirtualLab Fusion还提供了三种傅里变换方法，包括FFT（快速傅里叶变换）、Semi-Analytical  FT（半解析傅里叶变换）以及Pointwise FT（逐点傅里叶变换）。对于包含各类光学数字模型的整个复杂的光学系统，通过非序列追迹功能，将所需的求解器连接起来，并通过选择合适的傅里叶变换方法，以在空间域或者空间频率域进行光场传输计算，从而能够在保证计算精度的情况下，更快的完成整个系统的仿真和分析，以实现跨尺度，全链路光学仿真。在整个仿真过程中，会考虑各种物理光学效应，如干涉、衍射、像差、偏振、相干以及矢量效应等。

光之数字模型平台的仿真原理

VirtualLab Fusion 光之数字模型平台的解决方案

VirtualLab Fusion的用户受益于其在不断增长的应用范围内的突破性技术，包括但不限于以下解决方案：

• 透镜系统

• 激光系统和fs/as脉冲

• 光纤耦合

• 衍射光学

• 光栅& Metasurfaces

• 超透镜

• 微透镜阵列

• 扩散片和DOEs

• AR / VR / XR眼镜

• 散射

• 干涉

• 分布式计算

• 光学系统优化

光之数字模型平台VirtualLab Fusion软件凭借赋能下一代 AR/VR 光学系统的突破性光学软件解决方案，荣获 2026 年国际光学工程学会（SPIE）棱镜奖XR 技术类奖项。

VirtualLab Fusion光之数字模型平台的灵活性建模

基于其独创性的技术，VirtualLab Fusion在光源、元件和探测器的建模方面具有无与伦比的灵活性。

• 光源的建模包括但不限于激光，LEDs, LDs, VCSELs，热光源，x射线源和超短脉冲等。

• 元件的建模包括但不限于折射透镜、自由曲面、菲涅耳透镜、Pancake 透镜、GRIN透镜、超透镜、光栅、DOEs、晶体、光阑、棱镜、光纤、扩散器、微透镜阵列和SLMs。

• 探测器的建模包括但不限于像差，PSF/MTF，光束参数，辐照度，光度测定法，比色法和超短脉冲诊断。

在光波导AR模型的眼盒中模拟光瞳中的光分布以及由此产生的MTF。仿真结果包括光源的时间相干性分析和波导内部的衍射分析

VirtualLab Fusion光之数字模型平台的软件配置

VirtualLab Fusion光之数字模型平台的分布式计算

多核仿真技术

VirtualLab Fusion具有许多交互性的仿真技术以及将这些技术链接起来的平台。在技术选择上，它提供了更准确以及更快速的模拟结果。通过结合并行化算法与多核计算机，可以进一步提高仿真速度。在VirtualLab Fusion中，大多数仿真算法支持并行处理，且能受益于多核计算机。接下来将展示VirtualLab Fusion的多核计算如何显著提高仿真速度。

收集基本模拟任务

光学建模和设计任务通常需要处理许多基本仿真任务。原因是多方面的，包括下面的例子：

◇ 多色光源和超短脉冲

由一组单色场表示，这些单色场必须通过系统传播。每个单色场决定一个基本的仿真任务。

◇ 多模光源

发射多个横向模式，例如，多模激光器或LED等扩展源，每一种模式都可看作一个基本的仿真任务。

◇ 处理全视场(FOV)

例如，对于成像系统和AR眼镜，结果是每个视场的基本仿真任务的叠加。

◇  扫描系统参数

例如，移动探测器位置以分析焦点区域，每个参数得配置都是一个基本的仿真任务。

◇ 公差 

分析多种配置从而研究光学系统对参数变化的灵敏度。每个系统的配置可看作一个基本的仿真任务。

◇ 优化 

使用现代技术进行优化，如进化算法，每个优化步骤都需要许多基本的仿真任务。

如何实现高速计算？

在每个场景或场景的组合中，都有一组基本的仿真任务需要处理。分布式计算允许对集合的模拟进行并行处理，而不是一个接一个地执行模拟。所实现的仿真速度与应用计算机网络的大小成正比。

配置与VirtualLab Fusion进行分布式计算网络设置的对话框

VirtualLab Fusion光之数字模型平台的优化套装功能

复杂光学结构及系统的优化

光学系统中常常存在多参数，多重结构等的复杂优化任务，需要使用专业的优化工具进行优化。VirtualLab Fusion优化套装是一个专门的优化工具，旨在补充VirtualLab Fusion的优化功能。作为一款功能强大的光学系统优化软件，优化套装提供了多种先进的优化算法，帮助用户优化复杂的光学系统，提高系统性能和效率。

工作流程

VirtualLab Fusion优化套装是VirtualLab Fusion的优化工具，旨在优化VLF内的各种光学系统。它提供了强大的优化功能，可以基于VLF的os文件创建优化项目。一旦创建了优化项目，就可以对其进行配置和执行，以获得优化结果。这些结果可以导出并导入回VLF中，从而产生优化的光学系统。

VirtualLab Fusion光之数字模型平台的应用领域

VirtualLab Fusion能够实现多元化光学的建模和仿真，已广泛的应用于高校、研究所以及各知名光学企业。其主要应用领域如下：

1. 光学系统优化

VirtualLab Fusion提供多种局部和全局优化算法，灵活支持多种场景下的优化任务，可进行高复杂度评价函数定义；可以对光学系统进行优化配置和执行，以获得优化结果，从而产生优化的光学系统。

1) 可用于光波导（如多FOV和多波长均匀性、效率、 颜色等优化）

2) 光栅结构优化

3) DOE结构优化

4) 光纤耦合系统

5) 成像系统

6) 干涉仪系统等

  

抗反射蛾眼结构优化

2. 光束整形

VirtualLab Fusion能够使用自由曲面，衍射光束分束器与图案生成器，扩散器和常规阵列微光学元件（包括但不局限于微透镜阵列）实现光束整形。

1) 折射光束整形

2) 衍射光束整形

3) 扩散片

4) 微透镜阵列和微结构单元阵列

衍射光学光束分束器的设计

3. 光学测量系统

通过高速物理光学，对干涉仪、光谱仪和传统式或结构照明式显微镜的成像质量与分辨率限制进行全面的研究。

1) 干涉仪

2) 显微镜

3) 单色仪

4) 光谱仪

干涉系统光线追迹示意图以及干涉图样展示

4. 微纳光子学

VirtualLab Fusion 中集成了傅里叶模态法，可以对周期性的结构，例如任意结构的光栅进行精确的模拟，获得相应的近场、衍射级次以及衍射效应。同时能够对光栅进行优化，以获得所需要光栅结构参数并集成到整个光学系统中进行分析。也可以对非周期性的结构，例如微纳小颗粒进行精确的模拟。

1) 1D和2D介质光栅

2) 1D和2D界面光栅

3) 衍射级次计算、偏振分析以及内部场计算

4) 纳米圆柱

5) 优化

倾斜光栅的鲁棒性优化

平面波入射微纳圆片时，圆片后透射光场分布

5. 光学成像系统

通过高速物理光学，实现透镜系统建模。提供对包含鬼像和部分相干性的系统的可靠的PSF / MTF评估。系统中可以包含光栅，全息光学元件以及衍射透镜。

1) 衍射透镜

2) 高级PSF/MTF

3) 鬼像

4) 包含光栅的成像系统

基于高NA物镜对微结构晶圆进行成像检测

双层光栅成像仿真

6. 激光物理/激光系统

高速物理光学可以有效地实现对激光光源、衍射、干涉、偏振的建模，并且可以使用任意感兴趣的光束参数。

1) 激光传输

2) 扫描系统

3) 飞秒脉冲

4) 激光晶体

激光扫描系统的建模和仿真

7. 虚拟和混合现实

针对AR,VR以及MR应用，VirtualLab Fusion为用户提供了多通道波导成像系统的非序列建模技术，建模过程中能够对波前差、能流以及PSF/MTF进行评估。

具有“蝴蝶式出瞳扩展”的光导系统

8. 分布式计算

在没有分布式计算时，生成基本仿真任务是在参数运行中完成的。在分布式计算中，不需要更改工作流程。可以通过对话配置和控制计算机网络实现这个功能。现如今，VirtualLab Fusion利用分配好的网络处理基本的仿真任务。简而言之:VirtualLab Fusion的用户只需多点击几下鼠标，就能享受到分布式计算的强大功能。

使用分布式计算进行AR光波导的测试成像仿真

VirtualLab Fusion光之数字模型平台部分典型应用示例

1. 基于各种干涉仪的测量系统仿真和分析

2. 包含光栅的复杂光学系统仿真和分析

3. 光纤耦合系统的设计和优化

4. 基于表面光栅的光波导结构模拟与设计

5. 具有间隔性缝隙的分段光栅区域的光波导元件

6. 基于VCSEL阵列的点阵投影仪的人脸识别系统

7. 超表面结构的设计和优化

8. 超构透镜设计和仿真

9. 非周期性微透镜阵列整形

10. 高斯 —贝塞尔光束轴向匀化光强整形

11. OLED光源模型-基于基本结构的 OLED 光源模型

12. 衍射透镜的设计和分析

13. 迈克尔逊干涉仪中的相干测量-使用分布式计算功能

14. 多视场下二元光栅光波导耦合优化

15. 跨平台联合仿真与优化

计算机配置推荐

1. 操作系统：Windows 10（1607 或更高版本）；Windows 11；Windows Server 2016 / 2019 /2022，要求 64 位版本。

2. CPU：至少具有 2.4 GHz 的四核处理器，建议至少具有 3 GHz 的八核处理器 。

3. RAM：建议至少 32 GB 以上。

4. 硬盘空间：50 GB，建议使用 250 GB SSD 驱动器图形适配器。 

5. 分辨率：1920×1080 或更高，建议使用 2 GB 视频 RAM。 

6. 接口：USB 端口。