HOME技術情報TECHNICAL KNOWLEDGEBASE（【Light Shaping Toolbox】 ）96.01： Lighting Toolbox

TECHNICAL KNOWLEDGEBASE

2023-02-02

【Light Shaping Toolbox】

96.01： Lighting Toolbox

目次

Abstract

本書は、Lighting Toolboxのコンセプトと活用方法を解説するものです。 Grating Cells Arrays（GCA) の設計と解析をデモンストレーションします。

キーワード：  Lighting Toolbox、 grating cells array、GCA、
shaping、 far field source、 camera detector 
必須ツールボックス：  Lighting Toolbox
バージョン： 317.01

コンセプト

  • Lighting Toolbox は、グレーティングを配したセルがアレー状に配された 構造(Grating Cell Array: GCA)で、光を整形する革新的な設計手法が 含まれております
  • VirtualLab™ では、所定のターゲット面において、任意の配光パターンを 発生するGCAの設計が可能です
  • 設計されたGCAは、空間的にパーシャル・コヒーレントな光源を用いた解析が可能です
  • また、グレーティングの厳密解析も、シミュレーションに考慮されます

Lighting Toolboxにおける光学系設定

VirtualLab™ のLightingToolboxは、GCA素子の設計及び解析を透過及び反射体で可能です

Workflow

GCA 設計のワークフロー

  1. Lighting Toolbox のLPDを開き、光学系の設定を入力します。全ての パラメーターは、LPD内で設定します

  2. GCA のdesign documentを開き、ターゲットとなる配光パターンを含む 設計パラメーターを定義します

  3. GCA 設計の開始。 新たなLPD内に、設計結果としてGCAが含まれます

  4. このLPD を用いて、設計されたGCA 素子の解析を行います

光学系配置の設定

Lighting Toolbox LPDの作成

光源

  • 無限縁光源は、Light Path View上の Far Field Sourceをダブルクリックする事で、編集が可能となります
  • 編集ダイアログでは、波長と空間 パラメーター、モードや偏光のモードの設定を行うものです

無限遠光源の編集ダイアログ（Basic)

  • 無限遠光源とGCAの距離を 編集ダイアログにて直接入力 いたします
  • この距離は、LPD上では変更 できません

無限遠光源の編集ダイアログ (Spatial) 

  • 無限遠光源は、拡張エリアの設定を 行う事が可能です。 このエリアのサイズは、”Spacial”タブにて可能です
  • 光源には、球面波の複素変調を追加する事が可能です
  • 変調は、データベース and/or プログラマブル入力にて設定可能です

無限遠光源の編集ダイアログ (Polarization)

  • 無限遠光源には、Global（全面的） またはLocally(局所的）偏光フィールド を定義する事が可能です
  • 局所的偏光の場合、”Spacial”タブ にて、異なるフィールド・コンポーネント に対する変調として定義可能です

無限遠光源の編集ダイアログ(Mode Selection) 

  • 拡張光源エリア（発光面積）の モデリングするには、インコヒーレント なモードの組み合わせを設定します。 この作業は”mode selection”タブ で行います。
  • ユーザーにより、モードの配置とウエイトを定義する事ができます

光束整形素子

  • GCAはプレートに配置されております
  • このプレートは、Light Path Viewの Light Shaperアイコンをダブルクリック する事で、編集可能となります
  • このプレートは、回転する事が可能です。これは編集ダイアログ にて設定し、設計作業にて考慮されます

プレートの編集ダイアログ

  • 媒体とGCA構造が配置される プレートの厚みを変更する事が可能です • 第一または第二インターフェース（面） にオペレーターを配置する事が 可能です
  • “edit”ボタンをクリックし、GCAの 設定を変更する事が可能です

GCAオペレーターの編集ダイアログ１

  • “functional definition”タブにて セルのサイズと数を設定します
  • ダイアログ下部の表組は全セルの パラメーターを表示します
  • パラメーターは直接編集または データアレーを用いて編集する事が可能です

GCAオペレーターの編集ダイアログ２

  • “order configuration”タブではグレーティングのどのオーダーをシミュレーション時に考慮すべきか設定します
  • さらに、Rayleigh coefficientsの定義を選択する事により、オーダーのウエイトを設定する事が可能です

GCAシミュレーションのオーダー設定

  • 下記のRayleigh係数の評価方法を用意しております：
      • コンスタント係数： コンスタント・ウエイト 1を活用
      • Simple Look Up Table： ユーザーにより設定された実値ウエイトを 各オーダーのシミュレーションに用います
      • Rigorous Look Up Table： ”LLGA result generator” (Grating Toolboxが必須) により計算されたウエイトを用います。これに用いるため、予め“LLGA analyzer” にてGCAの評価を行います。このアナライザーの出力は GCAの情報を含む“LLGA result generator”となり、これにより Rayleigh 係数をFMMまたはTEA法を用いて評価可能となります。

カメラ・ディテクター

  • カメラ・ディテクターでは、光学系のターゲット面の定義を行うものです
  • カメラ・ディテクターは、Light Path View上のアイコンをダブルクリック する事で編集する事が可能です
  • GCA 素子からターゲット面までの 距離は、LPD View上で直接入力 する事が可能です

カメラ・ディテクター：サイズと分解能

  • カメラ・ディテクター編集ダイアログの 最初のタブは、解析に用いるウィンドウ サイズと分解能を定義する事が 可能です
  • 現行バージョンでは、カメラ・ ディテクターはこれらのパラメーターの手入力のみサポートしております

カメラ・ディテクター：パラメーター

  • カメラ・ディテクターは、入射フィールドを評価する2つのモードをサポート しております
  • “Standard Mode”では、GCA直後の コヒーレント・モードをコヒーレント状態 として捉えます
  • ”Incoherent Approximation”モードでは コヒーレントモードで入射された光束をインコヒーレントのSuperposition (合算表示）として解析されます

GCAの設計

設計ドキュメントの作成

  • GCA の設計ドキュメントを作成するには、Lighting ToolboxのLPDを選択し メニューから、Design → New Grating Cells Array Designを選択します

GCA 設計ドキュメント：光源セットアップ

  • ”Lighting Setup”タブは、基本となる 光学系の全構造パラメーターのまとめ となっております
  • “Show Initial LPD”ボタンを押す事で 初期の光学系を確認する事ができます

GCA 設計ドキュメント：設計 

  • 設計作業では、先ず設計波長を 設定します
  • 次にディテクター面におけるターゲットパターンを定義します
  • パターンは、データアレーで定義 する事が可能です。 データアレーは loadまたはインポートするか、 既に開かれているVirtualLab™の ドキュメントから設定する事が可能です。

ターゲットパターンの設定

  • ユーザーにより、データアレーを ファイルからloadする事が可能です。 ファイルの拡張子は *.daです。
  • データアレーのインポートは、 ウィザードにより誘導されます。 ASCII、bitmap、または jpegを サポートしております。
  • データアレーがすでにVirtualLab™ ドキュメントとして存在している 場合は、”Select”オプションにて 選択するだけです

GCA 設計ドキュメント：設計

  • ”Variability of Spots Position” オプションと、各グレーティングセルの ”Apply Random Lateral Shift” オプションにより、ターゲット面に おける、全スポットのランダムシフトが 可能となります。これにより、パターンのピクセル化 現象を解消する事が可能です。
  • “GO”ボタンを押す事により、設計作業 が開始され、新たにLight Path Diagram が表示されます

設計されたGCA光学系の評価

設計結果(フィールド・トレーシング)

フィールド・トレーシングの結果

  • カメラ・ディテクターによる結果は、 色度フィールドセットです
  • 下記の表示モードがあります：

 

  • 表示モードはメニュー、ツールバー、 Property Browserなどにより変更 する事が可能です

設計結果 (レイ・トレーシング)

レイ・トレーシングの結果 (3D表示)

レイ・トレーシングの結果 (スポットの2D表示 )

設計されたGCAの、更なる解析

  • VirtualLab™ では、Grating Toolboxを活用したGCAのグレーティングアレーに 対し、厳密な効率解析を施す事が可能です
  • これには、LLGA Analyzerを用います
  • GCA編集ダイアログにて入力された、min./max. 次光を用いて、表組を作成します 

LLGA Result Generator

  • “LLGA result generator”を用いて GCA上のグレーティングの回折効率を FMMまたはTEAを用いて計算する 事が可能です
  • グレーティングのシミュレーションに 用いる幾つかの設定が可能です (マニュアル参照）
  • “GO!”ボタンを押して、グレーティングの評価を開始します

  • “LLGA result generator” が完了 した後、GCAの編集ダイアログ内の “Set”ボタンをクリックする事により 結果をGCA Operatorにセットする事が 可能です
  • これと異なり、結果をXMLファイル としてloadする事が可能です
  • “LLGA result generator”の情報の セットは編集フォームの下部に表示されます

成形データの出力

GCA 編集ダイアログ：成形データの出力

  • GCAパラメーターを出力するには、 GCA Operatorの編集ダイアログ 内にある”Export”ボタンをクリックします
  • 下記のフォーマットをサポートして おります：
      • CSV (コンマにより分離された値)
      • GDSII (バイナリー層)

成形データ出力ダイアログ

  • 成形データの出力時に、 グレーティングのタイプを選択する 事が可能です
  • バイナリーマスクのデータ出力が 必要な場合、GDSII出力をサポート しております
  • CSV フォーマットには、全ての グレーティングのパラメーターが マトリクス状のフォームで含まれます

ダウンロードファイル

ファイルをダウンロード（17.0MB）

関連する内容