VirtualLab Fusion 光之数字模型平台

现代光学系统由光源、元件、探测器等组件复杂组合而成。传统仿真工具往往只能处理单一组件，系统级仿真常因概念与工具不兼容而受阻。VirtualLab Fusion 以全球独创的场追迹技术为核心，打造高速物理光学仿真引擎，全面赋能从元件级到系统级的端到端创新设计，助力科研与工业界突破性能边界。
VirtualLab Fusion 核心原理
VirtualLab Fusion是德国LightTrans公司以场追迹概念开发出来的一款光之数字模型平台，将整个光学系统分解为一系列光学界面和自由空间区域，针对不同部件调用最适配的麦克斯韦方程求解器，并通过非序列追迹技术将它们有机串联。
软件集成了丰富的求解器库，包括适用于近似场景的 LPIA（局部平面界面近似）、LLGA（局部线性光栅近似），以及适用于严格计算的 FMM/RCWA（傅里叶模态法/严格耦合波法）等。在自由空间传输方面，支持几何光学、平面波谱、菲涅尔、远场及瑞利-索墨菲等多种传播模型。

为进一步提升计算效率，VirtualLab Fusion 提供了三种傅里叶变换方法——FFT（快速傅里叶变换）、半解析傅里叶变换及逐点傅里叶变换，用户可根据精度与速度需求灵活选择。整个仿真过程完整纳入了干涉、衍射、像差、偏振、相干及矢量效应等物理光学特性，确保结果真实可靠。

功能特性
作为全球唯一一款基于场追迹概念来开发的光之数字模型平台，VirtualLab Fusion为用户提供了光学建模和仿真所需的各种功能和特性。

• 光线追迹和光场追迹，两者可以一键切换；
• 序列和非序追迹；
• 用户可自定义选择从几何到物理、从近似到严格各种光学建模技术；
• 用户可自定义选择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）；
• 丰富的库系统，包括光源库、元件库、界面库、介质库、材料库、探测器库等九大库系统，能够快速地完成系统的建模；
• 参数扫描和参数优化，可对系统进行公差分析以及优化；
• 多软件接口，如Macleod、LASCAD、ZEMAX、JCM Suit等；
• 可导出多种格式结构，如GDSII、STL、IGES、ASCII、Bitmap等；
• 跨平台联合仿真和优化，如MATLAB、OptiSlang、Python等；
• 基于C#语言进行二次开发；
应用领域
VirtualLab Fusion能够实现高速物理光学的建模和仿真，已广泛的应用于高校、研究所以及各知名光学企业。
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。