AR 衍射光波導的設計仿真與分析

簡介

目前 AR 衍射光波導發展迅速，對于衍射光波導的設計與仿真也在整體設計中起到重要的作用。本文重點介紹國產光學軟件 OAS (Optical Advanced Software) 對 AR 衍射光波導的設計與仿真分析，可以同時分析宏觀的幾何光線追跡和微觀衍射光柵的跨尺度仿真，分析整體系統的傳輸效率及成像效果。

1.AR 衍射光波導系統

下圖為 AR 衍射光波導系統的結構視圖，包括一維光柵光波導和二維光柵光波導，從波導的法向方向查看，對于一維光柵波導，入射光通過耦入光柵耦入進波導進行全反射的傳播，然后通過轉向光柵改變光在波導中的傳播方向并進行擴瞳，最后通過耦出光柵將波導的光耦出到人眼并進行成像。對于二維光柵波導結構，由于二維光柵的衍射特性，可以同時起到耦出和擴瞳的作用，因此該結構可以只使用兩個光柵來進行波導的設計，可以進一步縮小波導的體積，便于集成化的設計。

圖1.1 衍射光波導系統結構視圖（波導法向視圖）。(a) L型三分區一維光柵波導；(b) 二維光柵波導

2.光柵設計

AR 設計中不同光柵的作用不同，相對的，光柵的工作級次和周期等參數也有所不同。光柵對入射光波長的敏感性，不同參數下對應的光柵工作級次的衍射效率等都是需要考慮的指標。下述為常見光柵設計的方法。

對于工作波長450nm的藍光，光源介質為空氣入射到光柵上，光柵基底材料為熔融石英，考慮其透射+1級的衍射效率。對于如下所示的鋸齒光柵。

圖2.1 鋸齒光柵結構示意圖

對于這樣的一個初始結構的選擇，可以在 OAS 軟件中進行相應的建模和仿真。確定入射光的波長和方向（入射角為0°），鋸齒光柵的初始結構，周期350nm，最后便是對軟件中探測器的建立，整體的光柵系統用于分析光柵的性能。

如圖2.1的光柵結構，掃描鋸齒光柵的傾角和周期，通過在 OAS 軟件中修改對應的參數并記錄對應的+1級的能量數據，輸出衍射效率與參數的關系：

圖2.2 鋸齒光柵+1級衍射效率與其參數的關系。(a) 光柵+1級衍射效率與傾角的關系；(b) 光柵+1級衍射效率與周期的關系

可以直接確定相應的光柵參數或進一步進行衍射效率的優化。

3.光波導設計

光柵設計屬于光波導的前期設計，對于整體光波導的設計，首先需要確定其整體的尺寸范圍，包括波導的尺寸，光機的位置及眼盒的尺寸和位置。

圖3.1 AR 衍射光波導初始結構（包含波導，光源和眼盒）

通過眼盒和光源距離波導的距離和光線的視場角以確定光柵的整體尺寸，尺寸確定如下：

圖3.2 耦出光柵和眼盒的尺寸關系

圖中n1 n2分別為波導環境介質和波導材料介質，θ為視場角的最大值，d 為眼盒到波導的距離，通過這樣的參數就可以設計出滿足最大視場角的最小光柵尺寸，對于耦入光柵原理與其相同，確定完耦入光柵和耦出光柵后就可以進一步確定轉向光柵的尺寸參數。如下圖，為設計完成后的整體 AR 衍射光波導結構：

圖3.3 AR 衍射光波導結構（包含波導，光源，眼盒、耦入光柵、轉向光柵和耦出光柵）

4.追跡與仿真分析

對于一個完整的 AR 衍射光波導結構，除了上述的波導結構，還包括光機的準直系統和成像系統以構成完整的 AR 系統，如下圖所示：

圖4.1 AR 衍射光波導完整結構（包含波導，光源，眼盒、準直系統、耦入光柵、轉向光柵和耦出光柵）

對該結構進行光線追跡，軟件可以輸出眼盒的能量分布，后續也可以通過軟件來進行均勻性，成像的MTF分析等：

圖4.2 AR 衍射光波導追跡結構與光路圖。光源發出的光經準直系統準直然后通過光波導的傳輸準直輸出到眼盒探測器上

圖4.3 追跡完成后眼盒的能量分布

圖4.4 經過成像后的圖案分布

5. 總結

本文講解了通過 OAS 軟件進行 AR 衍射光波導的建模仿真與分析。從軟件中光柵的結構建模、分析，到光波導的結構設計，光柵的尺寸設計，再到準直系統和整體完整的光波導結構設計，最后是對于系統的追跡和分析。OAS 展示了其對于衍射光波導的跨尺度的仿真，軟件追跡過程中對于不同的元件應用相應的追跡算法，以達到整體系統級別的仿真與計算分析。