Lumerical & SPEOS Fraunhofer 遠場繞射模擬

遠場繞射（Fraunhofer Diffraction）

此種繞射裝置中，光源到狹縫的距離與狹縫到屏幕的距離皆非常遠。但實際並非相距無限遠，而是在點光源與狹縫間放置凸透鏡，讓點光源位於凸透鏡上輻射發射球面波光線，經過凸透鏡後變成平面波平行光線，模擬時可設定平行光入射狹縫，在實驗室內可以利用平行光束來模擬遠距離的光源到狹縫的情形。

Lumerical & SPEOS 聯合模擬流程

Lumerical的FDTD可模擬微觀的波動光學行為，但在宏觀幾何光學現象的模擬上會顯得較為吃力，透過腳本轉換，可以在SPEOS中呈現Lumerical的模擬結果，並整合後段光學成像系統，來呈現完整遠場繞射模擬結果。

Lumerical模擬設定

考慮光線穿越狹縫造成繞射，波動效果使用Lumerical處理，架構設定如下:

• 不透光板材開孔洞半徑10UM
• 波長400~700nm平面波光源
• 區域內仿真無限延伸板材
• 監視器紀錄遠場數值

觀察光線在狹縫近場與遠場表現，監視器記錄光線在不同波長下，不同程度之繞射光型分布 (單位|E|² ) According to Parseval’s theorem, for a simple plane wave, the Poynting vector．∝．|E|² , where E is the electric field. (理論參考資料來源: Ansys Learning Forum Ansys Insight: 光學強度、功率、電場強度平方的關係以及電磁能量)

Lumerical腳本轉檔匯入SPEOS

Lumerical可以撰寫腳本並運行，將模擬後得到之不同波長繞射光型分布數據，匯整成SPEOS可讀取的數據格式，再利用SPEOS中Photometric Lab重現繞射光型。

SPEOS模擬設定

考慮繞射光線由透鏡放大後繞射圖案投影可視化效果，使用SPEOS處理，架構設定如下:

• 平板上具一直徑1μm小孔，光源設定在狹縫出光開口
• 繞射光照射於長、寬、厚 8cm x 8cm x 2.5cm n=1.52 凸透鏡
• 在黑暗環境中，光線被投射在白牆上觀察

使用Intensity sensor IESNA計算繞射光型，並設定這一個光型在狹縫出口處，做為遠場光線出光面後，透過載入.xmp檔案的光強分布，將繞射光型可視化。

Lumerical & SPEOS聯合模擬設定

利用Radiance Sensor在黑暗環境中進行可視化，觀察繞射光型在白牆上的投影效果。透過逆追跡技術，可以清晰地觀察到最外圍光圈光線，該光線為透鏡處理某特定角度之入射光線，經折射後形成的效果，此模擬結果經實際測試證實其準確性。