摘要

在增強現實和混合現實應用 (AR & MR) 領域的波導光學器件設計過程中，橫向均勻性（每個視場模式）和整體效率是兩個最重要的評價函數。為了在光波導系統中獲得適當的均勻性和效率值，有必要允許光柵參數的變化，特別是在光瞳擴展區域和/或耦出區域中。為此，VirtualLab Fusion 能夠在光柵區域中引入平滑變化的光柵參數，并提供必要的工具來根據定義的評價函數運行優化。此用例展示了如何使用連續變化的填充因子值優化波導來獲得足夠的均勻性。

任務描述

光波導組件

使用波導組件，可以輕松定義具有復雜形狀區域的波導系統。此外，這些區域可以配備理想化或真實的光柵結構，以充當耦入元件、耦出元件或出瞳擴展元件。更多信息請見：

波導的構造

光柵區域

對于耦入元件、耦出元件和眼瞳擴展元件 (EPE)，使用了真實光柵。他們的瑞利矩陣和相應的效率是用 FMM (RCWA) 嚴格計算的。您可以在以下位置找到有關如何設置的更多信息：

如何使用真實光柵結構設置一個波導

均勻性探測器

均勻性探測器評估局部區域內（稱為光瞳）的能量強度。每個光瞳由其大小定義(???? × ????) ，其可以設置為橢圓形或矩形。

您可以下方鏈接找到有關如何設置的信息：

用于波導系統的均勻性探測器

總結-組件

帶有附加指南的一般工作流程

1. 基本光學波導設置的配置（不屬于此用例的一部分）

2. 光束步跡和光柵分析工具的應用，包括生成滿足參數調制所有要求的光學設置

3. 光柵參數所需調制的定義

4. 選擇變量并定義評價函數以優化調制光柵參數。

以一個現有的、可運行的波導系統作為基礎，即已經包括基本幾何形狀（所需距離和定位光柵區域）和光柵規格（方向、周期、順序）。這個例子取自：

? 構建波導 [用例]

? 波導板布局設計工具 [用例]

配置光柵區域的真實光柵結構，這是應用光柵參數連續或平滑變化之前的必要步驟：

? 如何設置具有真實光柵結構的波導 [用例]

? 使用真實光柵模擬一維-一維光瞳擴展元件 [用例]

光束步跡和光柵分析工具用于指定光柵參數變化的所需范圍，并針對特定條件（波長和方向）預先計算相應的瑞利系數。下一步，生成光學設置，其中可以定義平滑參數變化：

? AR/MR 應用波導的步跡分析 [用例]

? 光波導上的光柵分析和平滑調制的光柵參數 [用例]

注意：光柵調制是針對各個光柵區域定義的。

步跡和光柵分析

在步跡和光柵分析工具的幫助下，光柵特性（復值）被預先計算并存儲在查找表中，用于選定參數的指定范圍（例如填充因子）。根據可用的效率調制范圍選擇填充因子的初始范圍。更多信息可參見：

光柵分析和在波導上的平滑調制光柵參數

初始系統的生成

? 具有所謂光柵參數調制功能的光波導設置由步跡和光柵分析工具生成（包括光柵特性）。

? Uniformity Detector 用于定義優化的評價函數。

定義光柵區域的調制函數

? 打開光波導組件中區域的編輯對話框；光柵特性和查找表存儲在光柵區域中。

? 編輯光柵參數調制功能，使其定義為可編程功能，光柵參數的預期線性調制由開始和結束位置的值定義（EPE 從左到右邊界，外耦合器從上到下）。

初始系統的生成

在分別為 EPE 和耦出光柵定義調制后，可以通過 Optical Setup > New Parameter Optimization 啟動參數優化文檔。

優化設置-選擇參數

 ? 分別為EPE 和耦出光柵選擇調制開始和結束位置的填充因子值。

? 根據調制功能編輯器中的設置自動填充初始值。

優化設置 - 指定約束

? 定義變量的可用范圍（此處：EPE 和外耦合器的填充系數）。

? 為了實現低均勻性誤差和可接受的強度分布，將均勻性誤差的目標值設置為 0%，并指定算術平均值的目標值。

? 通過定義評價函數的權重值，可以調整優化的貢獻（相關性或優先級）。 

優化結果

優化結果

優化均勻性與能量密度

通過對初始和優化系統的眼動范圍進行線掃描，揭示了均勻性和局部能量密度的差異。

VirtualLab Fusion技術

更多閱覽

- Grating Analysis and Smoothly Modulated Grating Parameters on Lightguides

- Uniformity Detector for Lightguide Systems

- Light Guide Layout Design Tool

- Flexible Region Configuration

- How to Set Up a Lightguide with Real Grating Structures