FRED案例 | 干涉仪的光场合成

在下面的干涉仪中，其中一个干涉臂包含一个倾斜的平面镜，另一个干涉臂使用理想透镜将光聚焦，在焦点处利用反射镜将光束反射，然后再次通过理想透镜，以便在探测器处产生干涉条纹。

如果将针孔孔洞放置在理想透镜的焦点处，聚焦场在反射器之前就将被剪除，并将在反射中形成准高斯分布。在探测器位置，倾斜的平面波和从理想透镜返回的高斯波发生干涉，并产生包络线用高斯振幅调制的干涉条纹。

如果对系统执行光线追迹功能（菜单栏中选择光线追迹 > 追迹和渲染），并且在探测器上执行标量场分析（分析 > 相干标量波场），那我们将得到如下图所示的分布。

在这里，我们可以看到沿 Y 轴（参考平面的倾斜方向）的余弦条纹，以及没有进行任何高斯振幅调制的条纹包络。如果没有将针孔孔洞放置于理想镜头的焦点处，那就将得到我们所期望的结果。

这个分析中发生了什么？

高斯光束分解算法（FRED 用于相干场传播）的缺陷之一是：它容易受到针孔效应的影响。在这种情况下，问题在于在光线追迹期间，针孔适用于携带场信息的几何光线，而不适用于相干场本身。理想透镜焦点处的几何光线都是在针孔孔洞内通过，因此，针孔孔洞永远不会作用于相干场本身。也就导致在光线追迹过程中针孔好像根本不存在一样。

在高斯光束分解中，一般是使用定向场再合成来处理这个空间滤波问题（也称为 Gabor 分解），在评估针孔孔洞中的场分布的情况下，该场被针孔孔洞剪裁，然后剪裁的场由一组新的高斯光束来表示，然后继续传播，通过系统的其余部分。

对于大多数应用程序，此过程类似于以下顺序：

1.从光源到孔径平面的高级光线追迹；

2.计算孔径平面内的相干场；

3.将曲线剪切应用到光场；

4.通过生成一组新的光线（替代输入光线）来表示剪切场；

5.继续通过系统追迹新光线。

现在，在我们的干涉仪案例中，上述序列的问题在于，步骤#4 将光线缓冲区中的所有光线都用剪切场的新合成光线来代替。如果在干涉仪中这个问题解决，生成的剪切场的光线将取代在参考臂中传播的光线！这样将不会看到两束光在我们探测器上发生干涉。

附录中的嵌入式脚本文件演示了我们保留干涉仪双臂的光线的方式，同时还包括重新合成光线的步骤。该方法的关键是使用临时光线缓冲区将重新采样路径中的光线与参考路径中的光线进行隔离。在进行重新合成操作时，仅需替换当前光线缓冲区中的光线即可。

嵌入式脚本“Propagate with Resynthesis”执行以下步骤：

1.执行高级光线追迹，将重新合成的平面指定为 stopSurf。如果光线可以与 stopSurf 相交，那么它们就会在那里暂停。如果光线无法与 stopSurf 相交，那么它们将继续穿过系统，直到被吸收（在本例中是被探测器表面所吸收）。

2.将重新合成平面上的光线移动到各自的临时光线缓冲区中，将它们与系统中的所有其它光线相隔离。

3.将临时光线缓冲区设置为活动状态，并执行光场重新合成步骤。

4.追迹穿过系统的其余部分中的新合成的光线（在这种情况下，它们被探测器吸收）。

5.将重新合成的光线与其余光线一起移回主光线缓冲区，并将主缓冲区再次设置为活动状态。

6.在检测器表面上执行分析。

如果右键单击“Propagate with Resynthesis”，嵌入脚本并选择“Run an embedded script”，就将执行上述步骤，生成的相干标量波场将在检测器处进行显示。现在可以看到，条纹分析结果具有高斯包络，这是因为在理想透镜的焦点处放置了针孔孔洞产生的效果。