統一化光學建模設計與分析平臺-VirtualLab快速入門 （2014修訂版）
序言
光學仿真已經是學術界和產業界普遍采用的產品設計技術，它能縮短原型(prototype)產品上市的時間和花費，可以說是各類光學系統產品研發商品化的促成科技(enabling technology)。更精確地說，光學仿真的核心技術在于以高速計算機計算能力，執行光線追跡(ray tracing)的功能，在產品實際開模制造前，就能預知所研發設計產品的性能，再比較產品需求規格，據以修正原始設計。本書即是教導如何使用德國LightTrans公司的VirtualLab軟件，以進行光學仿真設計光學系統或產品。
市面上絕大多數的光學仿真軟件，都是以計算機執行所謂的“光線追跡(ray tracing)”的算法則，這在符合“幾何光學(geometrical optics)”假設的環境條件下，不失為一簡單快速的光學設計模式。然而，隨著近代光學系統產品的發展，許多的光學組件特質，已經由幾何光學的范疇，逐漸進入“波動光學(wave optics)”的微小設計領域，例如太陽能電池表面微結構、LED照明微結構等等；這些設計挑戰都接近無法以 “光線追跡(ray tracing)”算法得到精確的仿真結果。而VirtualLab軟件結合了“光線追跡”和“場追跡(field tracing)”算法，能在所設計的產品尺度，接近或小于光源波長時候，還能保證仿真結果的精確性，這是VirtualLab相較于其他光學仿真軟件所據有的獨一無二的功能，此特性正在急遽發展的微結構光學設計領域，有其不可或缺的重要性。
德國在光學設計領域，一向執世界牛耳地位，由德國Jena大學教授Frank Wyrowski所發明的VirtualLabTM光學設計軟件，更是世界級的精品軟件。VirtualLab軟件挾其獨特“場追跡(field tracing)”算法，快速地每月軟件功能更新的速度，成為唯一涵蓋“幾何光學”與“波動光學”的統一光學建模平臺，此足以讓光學設計領域的工程人員奉為圭寶，尤其能在紅火發展的新能源、新光源產業，發揮光學設計能力不可或缺的工具。而工具的教導使用，如果能有好的教材相配套，當能發揮其“事半功倍”的效果，這是訊技公司數十年推廣仿真軟件的深切體認，所以由熟悉VirtualLab操作的資深工程師團隊，編譯完成此快速入門手冊，希望以母語教導的方式，嘉惠更多光學設計工程師們，能更快、更廣泛的來學習此一優異的光學設計軟件。『利其器』的結果必能『善其事』，能有大量人才投入蓬勃發展的新光源、新能源光學設計領域，『量變生質變』，必然會產生好的設計，產出關鍵專利，因而增加產業與國家的競爭力。或能在不久的將來，與歐美日先進國家，同躋世界舞臺，成為新能源、新光源光學設計的王國，當指日可待。
黃忠偉
臺灣科技大學 光電工程研究所
光電科技中心 光電系統仿真設計實驗室
2011 03 01
目錄
序言 1
Preface 3
前言 5
第1章 VirtualLabTM概述 7
1.1 什么是VirtualLabTM？ 7
1.2 VirtualLabTM的安裝與啟動 12
第2章 VirtualLabTM的理論基礎與基本設置 21
2.1 電磁簡諧波場 21
2.2 傳輸算子 24
2.3 光源 27
2.4 光學元件 38
2.5 探測器 48
第3章 VirtualLabTM的基本操作 64
3.1 用戶界面結構 64
3.2 光學系統的創建方法 67
第4章 案例錦集 80
4.1 基本工具箱 80
4.1.1 Donut光源研究 80
4.1.2 通過ZEMAX優化的雙膠合透鏡對激光束的聚焦特性分析 91
4.1.3參數掃描（Parameter Run） 94
4.1.4飛秒激光脈沖的聚焦特性研究 100
4.1.5 邁克爾遜干涉儀 112
4.1.6 光的偏振態轉換 116
4.2 光柵工具箱 118
4.2.1光柵內部場分析 118
4.2.2刻面傾斜的鍍膜光柵分析 120
4.2.3 精確分析1:6分束器 127
4.3 衍射工具箱 130
4.3.1用于產生矩形漫射分布（平頂）的衍射光學元件的優化 130
4.3.2 2D光圖標的衍射擴散器的優化 144
4.3.4 夫瑯禾費衍射 153
4.4 激光諧振腔工具箱 156
4.4.1諧振腔本征模式分析 156
4.4.2諧振腔公差分析 159
4.4.3從LASCAD導入含有熱透鏡的諧振腔分析 162
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