关于物理光学传播(About Physical Optics Propagation)

介绍

物理光学传播非常复杂，在使用这该功能前，建议用户阅读并理解这部分内容。

几何光学是基于光线追迹的光学系统模型，光线是一种虚拟线，可作为代表具有恒定相位的表面的法线，该表面称为波前。光线和波前都可以用来表示光束。然而，光线和波前的传播方式不同。光线传播是沿着直线的，并且光线之间不会相互干涉；然而波前传播则会发生自相干涉。因此，光线传播模式和波前传播模式是光束在通过自由空间或者光学元件传播的两种表示方式。光线追迹模式速度快、灵活，并且对于大部分的光学系统建模都非常有用。然而，光线追迹模式不适合模拟某些重要的效应，主要为衍射效应。

OpticStudio也具备基于光线追迹的衍射计算，例如衍射MTF或者PSF。这些衍射计算做了一些简单的近似：所有重要的衍射都是源于出瞳到像面这一区间。这种方法有时候称为"一步近似"。光线追迹用于从物空间开始传播光束，通过所有的光学元件和介质空间，一直到像空间的出瞳。利用光线在出瞳处的分布，包括透射振幅和累积的光程差(OPD)计算的相位，形成复振幅波前。然后，再通过一步近似，利用衍射计算将复振幅波前传播到近焦处。

几何光学和一步近似对于大部分传统光学设计是很有用的，这些系统中光束不会聚焦到除最终像面外的任何位置。然而，这种模型在以下几个重要的情况下会出现问题：

当光束聚焦到中间焦点，特别是接近截断光束的光学元件处（光线本身不能正确预测近焦位置处的光场分布）。
当远离焦点处的衍射效应受到关注时（光线在振幅和相位上保持均匀，波前则会改变振幅和相位）。
当光束是准直的，并且传播距离很远（准直的光线不管传播多远都还是准直的，然而实际光束会发生衍射或者发散）。

物理光学是通过波前传播对光学系统进行建模。光束由一系列离散点列阵表示，类似于利用离散采样的光线追迹法对几何光学系统进行分析。整个阵列可传播通过光学表面间的自由空间。在每一个光学表面处，则计算得到一个传递函数，将光束从光学表面的一侧转移到另一侧。物理光学模型允许对任意相干光束进行非常详细的研究，包括：

高斯光束或者任意形式的高阶多模激光束（光束可用户自定义）。
光束可以沿着任意视场点传播（斜光束）。
光束的振幅、相位、强度均可在光学系统中的任一表面计算。
有限透镜孔径产生的影响，包括空间滤波器，均可建模。
通过任何光学元件传播的精确计算OpticStudio可以通过光线追踪建模，包括使用复合曲面的透镜系统。

物理光学模型通常比传统光线追迹更精确地预测远离焦面的光束的详细振幅和相位结构。然而，物理光学传播分析也有局限性：

物理光学分析通常比几何光学分析更慢；
由于整个光束阵列必须一次性保存在计算机内存里面，所以对于大采样阵列需要很大的运行内存。
采样限制了光束像差建模的精确度。对于大像差系统，建议使用几何光学分析。

下面的章节将会总结物理光学传播算法和正确使用OpticStudio中这个功能的信息。

支持多个处理器

OpticStudio中物理光学传播进程设计在多核计算机中可使用。具有两个或者多个CPU的计算机执行物理光学传播功能快于单个CPU的计算机。

下一部分：