VirtualLab Fusion应用：衍射光束扩散器产生LightTrans标识的设计与分析

摘要

衍射扩散器可以被设计来创建任何图案。在这里，我们展示了 VirtualLab Fusion的一些可能性，以设计、优化、建模和仿真这种衍射光学元件（DOE）并把公司的标志投射到一幢大楼上。有不同的方法来生成光的图案。利用相干激光和衍射扩散器元件，可以实现良好的效率和有趣的光纹理，这将在下面进行演示。

避免0级衍射产生的影响

为了阻挡0级衍射，衍射扩散器将被设计成产生一个离轴LightTrans标志。

结果预览

光束和图案条件→设计目标图案（DTP）

光束：尺寸评估

图案：导入、准备、预变形、采样考虑

15m处的光斑尺寸

扩散器元件以创建所需图案的方式偏转入射光束。分辨率由单个光束点的大小决定。通过一个简单的光学设置，我们确定可实现的光斑直径为≥5毫米。

同时，我们已经可以识别出哪种束腰还没有完全进入目标平面远场。

关于设计目标模式（DTP）的相关信息

用于设计的迭代傅里叶变换算法（IFTA）用于在准直光照明的透射函数平面与k域偏转光方向的相关目标值之间进行优化。

对于近轴系统，k域的模式与平行于DOE平面的空间域的模式成正比。

对于这里提出的设计，因此必须在这个平行平面中定义模式。

这种几何扭曲的图案可以很容易地使用另一个简单的光学设置。

用于设计的预扭曲图案

通过下面的光学设置，我们可以很容易地计算出预期屏幕上任何期望的投影光形状在平行于DOE倾斜的平面上的样子。这些扭曲的图案可用于设计过程。

采样和测试DTP

根据所需的光图案纹理，必须考虑一个合适的图案采样，因为DTP的每个像素中心代表一个由扩散器偏转的光束的目标位置。

根据我们在此场景中的经验和意图，我们选择了5 mm的采样距离。

基于完整样本的小部分创建测试设计也很有帮助。

采样距离为5mm的图案的目标点直径

为了显示不同类型的散斑图案，所考虑的束腰直径将在[0.9；2.0]mm的范围内。

相关的目标点直径约为[6.5；13.9] mm。

测试设计

用于确定输入光束直径的可实现光纹理比较

会话编辑器

IFTA：测试模式的设计和结果

图案纹理/印象→选择照明的束腰

上述结果为不同的目标点重叠场景提供了三种代表性的纹理：（较大的重叠导致较大的斑点和较高的峰值）

1. 标准重叠→最小斑点

2. 更少的重叠→扩散器和分束器之间的临时外观

根据主观评价，这是最好的解决方案

对于这个应用，选择了标准的重叠，产生了一个自然的，火焰状的纹理。

完整的设计，优化函数和仿真

杂散光，效率和全输出场图案

优化区域

下方的插图显示了人们感兴趣的各个领域及其目的。

为了提高对比度，从而减少所需图案周围的散射光，在投影表面的区域（黑色矩形）中引入了一个优化区域。

之后，我们将使用一个光阑（绿色矩形），它只传输由图案产生的光，并阻止来自周围环境的杂散光。

不同模式的设计

为了便于比较，我们进行了连续相位值、8相位和4相位台阶的元件设计。

作为优化区域，可以使用 LightTrans标志图案本身或与投影区域连接的扩展区域。

可视化IFTA设计评估（振幅）

相邻的图显示了不同设计模式下的衍射级次。

每个像素代表一个衍射级次。

每个设计都可以进一步优化。然而，对于这个比较，所有的结果都是使用原始的IFTA默认设置生成的。

对于这个应用，我们将坚持使用4台阶元件类型，它制造起来应该是更容易和更便宜的。

采用梯形区域作为优化区域，也提高了4台阶元件的对比度。

从优化的4台阶相位传输函数中得到的结果

通过使用IFTA的调整选项，4台阶设计可以显著优化。

想了解更多信息，请参见附录。

有光阑阻挡杂光的最终系统

附录

扭曲的设计图案的准备

测试仿真的系统调整

优化四台阶相位传输函数

设计是以牺牲均匀性为代价优化的，但这是可以忽略的，可以从下面的结果中看到，并在下一张幻灯片中解释。

不同均匀性误差下的散斑差异的说明

对于衍射扩散器元件，均匀性误差通常不是那么重要。下面的图显示了IFTA和斑点系统的仿真结果，这说明了不太均匀的工作处理不会产生明显不同的散斑模式。

实际产生的强度纹理由理论最小值和最大值之间的值表示，这是由所有涉及的重叠光束的理想的相消和理想的相长干涉（具有随机相位值）造成的。灰色的图显示了一个（红色的）目标点与其相邻点的重叠。

当然，在设计中台阶设置不同，导致不同的均匀性误差，结果也会有所不同。但是由于在IFTA过程中相同的起点（初始传输），产生的散斑形状仍然可以很好地比较。

这些圆圈对应于1/e²的直径。

因此，这种比较给了具有不同均匀性误差的散斑现象的代表性纹理。