光柵模型
關注創建者：Ansys中國 創建時間：2023-05-29
光柵模型的實例教程
為了使用動態鏈接，在Lumerical中構建了二維六邊形圓柱體和一維傾斜光柵的參數化模型。另一方面，整個成像系統內置于Zemax OpticStudio中。在光線追蹤過程中，當光線照射到光柵上時，Zemax OpticStudio 會自動調用 Lumerical 來計算精確的電場響應，從而可以對系統進行準確評估。
概述
EPE是基于波導的AR系統（如Microsoft Hololens）中最流行的技術之一。它包括一塊薄玻璃板（波導），上面有幾個光柵。光柵的周期、區域形狀和周期方向通常在 k 空間中規劃。K 空間是一個二維空間，該空間中的任何單個點始終表示射線傳播方向。當衍射光柵改變光線的傳播方向時，它在該 k 空間中的位置會被矢量移動，其中矢量的長度與周期有關。K-space是一個非常有用的概念，用于規劃EPE系統的光傳播和光柵周期。
上述文章中的系統適用于具有三個 1D 光柵的 EPE。此示例的主要區別在于，我們將使用 1D 光柵進行內耦合，并使用 2D 光柵進行外耦合。二維光柵具有六邊形周期結構，光束在k空間中傳播，如下圖所示。如下圖所示，為了讓光束在二維波導中移動以擴大出瞳，我們設計了光柵，讓光束傳播方向在k空間中像六邊形一樣移動。這允許光束傳播并分布到波導中的大區域，如下圖右圖所示。
第 1 步：構建參數化光柵模型
光柵模型首先在 Lumerical 中構建并保存在 .fsp 文件中。我們將需要兩個光柵模型。一種是一維光柵，用于耦合來自光源的光。一種是用于耦合光線的 1D 光柵。
第 2 步：構建 AR 波導并檢查瞳孔處的功率分布
接下來，在Zemax OpticStudio中構建出瞳擴展系統。
展開 光柵形狀
本例中光柵的形狀是一維傾斜光柵和二維圓柱柱。用戶可以按照 Lumerical RCWA 和 Zemax OpticStudio 之間的動態工作流程來構建自己的光柵模型。
光柵區形狀
在本例中，波導上的光柵區域形狀為圓形（耦合光柵）和矩形（耦合外光柵）。可以將其中任何一個更改為多邊形。
簡介
本文提出并演示了一種以二維光柵耦出的光瞳擴展（EPE）系統優化和公差分析的仿真方法。
在這個工作流程中，我們將使用3個軟件進行不同的工作 ，以實現優化系統的大目標。首先，我們使用 Lumerical 構建光柵模型并使用 RCWA 進行仿真。其次，我們在 OpticStudio 中構建完整的出瞳擴展系統，并動態鏈接到 Lumerical 以集成精確的光柵模型。最后，optiSLang 用于通過修改光柵模型來全面控制系統級優化，以實現整個出瞳擴展系統所需的光學性能。
本篇文章將分為上下兩個部分。（聯系我們獲取文章附件）
概述
我們將首先在 Lumerical 和 OpticStudio 中構建仿真系統，它們是動態鏈接的。
然后，OpticStudio 通過 Python 節點鏈接到 optiSLang 進行優化，如圖1所示。
圖1 Lumerical 通過動態鏈接到 OpticStudio，OpticStudio 通過 Python 節點鏈接到 optiSLang，優化由 optiSLang 控制。
如圖 2 所示，EPE 系統包括兩個用于耦入和耦出的光柵。耦出光柵分為幾個區，如左側所示。每個區都將經過優化，以具有不同的光柵形狀。右圖顯示了光在 k 空間中的傳播的變化情況。
圖 2 光柵布局圖以及光線在K空間的傳播
第 1 步：系統設置 （Lumerical）
打開附件中的 ZAR 文件時，兩個光柵文件會被提取到設置的路徑中。第一個光柵如圖 3 所示，它是耦入光柵中使用的二元光柵。該光柵是固定的，在優化過程中不會改變。
圖 3 耦入光柵結構為二元光柵。
展開 簡介
本文提出并演示了一種以二維光柵耦出的光瞳擴展（EPE）系統優化和公差分析的仿真方法。
在這個工作流程中，我們將使用3個軟件進行不同的工作 ，以實現優化系統的大目標。首先，我們使用 Lumerical 構建光柵模型并使用 RCWA 進行仿真。其次，我們在 OpticStudio 中構建完整的出瞳擴展系統，并動態鏈接到 Lumerical 以集成精確的光柵模型。最后，optiSLang 用于通過修改光柵模型來全面控制系統級優化，以實現整個出瞳擴展系統所需的光學性能。
本篇文章分為上下兩個部分（點此查看上部分），下將詳細描述“第3步：優化設置的內容”。（聯系我們獲取文章附件）
概述
我們將首先在 Lumerical 和 OpticStudio 中構建仿真系統，它們是動態鏈接的。
然后，OpticStudio 通過 Python 節點鏈接到 optiSLang 進行優化，如圖1所示。
圖1 Lumerical通 過動態鏈接到 OpticStudio，OpticStudio 通過 Python 節點鏈接到 optiSLang，優化由 optiSLang 控制。
如圖2所示，EPE 系統包括兩個用于耦入和耦出的光柵。耦出光柵分為幾個區，如左側所示。每個區都將經過優化，以具有不同的光柵形狀。右圖顯示了光在 k 空間中的傳播的變化情況。
圖 2 光柵布局圖以及光線在K空間的傳播
第3步：優化設置（optiSLang）
3-2.參數系統
準備好 Python 代碼后，我們就可以開始在 optiSLang 中進行優化了。
展開 017 - FDTD利用腳本繪制波浪形光柵結構（僅包含模型文件，13元）
基本介紹：
主要內容：繪制一個波浪形的光柵結構，即介質平板的厚度在一個方向上以sin函數變化；
基于Lumerical FDTD Solution，使用的軟件版本為Lumerical 2016a；
計算所需的內存：無；
涉及的內容：structure group編寫腳本；
注意：本案例僅包含模型文件，有一個操作步驟簡單說明。沒有講解視頻，不附帶答疑指導。
包含的文件截圖：
詳細描述：
如上圖所示，該結構的下表面是平面，上表面是滿足 sin 函數的曲面。
在結構組里可以方便地改動這種sin形曲線光柵的參數，如上圖所示，其中各個參數的含義為：
index - 材料的折射率
material-材料，如果設置材料的話，index 就無效
amplitude-sin 曲線的振幅
thickness - 光柵厚度
period - sin 曲線的周期
x_span - x方向的跨度
y_span - y方向的跨度
再次提醒：本案例僅包含模型文件，沒有講解視頻，也不附帶答疑指導。
展開 
光柵模型的最新內容
4.1 多軟件模型數據導入
投影鏡頭導入：在Speos中調用光學設計交換組件，加載Zemax導出的.odx文件，匹配坐標軸系統，一鍵生成三維鏡頭模型，可直接查看鏡頭原始設計參數且不可篡改；
圖3：Speos光學設計導入界面
光柵模型導入：加載Lumerical輸出的.json光柵參數文件與.sop插件文件，為光波導耦合面賦予亞波長結構表面屬性，同時配置紋理貼圖與尺寸參數
系統仿真：多軟件聯合驗證方案可行性
在完成光柵結構設計與Zemax成像性能驗證后，團隊采用Lighttools與Rsoft軟件搭建了完整的L型光柵波導系統仿真模型，對全系統的眼動范圍均勻性、能量效率進行了全面驗證，同時結合Zemax的成像仿真結果，形成了“設計-成像驗證-系統驗證”的完整仿真流程。
與普通衍射光學元件不同，AR-EPE 需結合波導系統的光柵耦合設計，依托 OpticStudio 軟件并結合 RCWA 算法、k 空間規劃法進行建模，通過動態鏈接 DLL 實現光柵模型與光學系統的集成，結合光線追跡與衍射效應分析，平衡模擬的真實性與 AR 系統設計效率。
基于極坐標圖和圖像結果文件，對考慮衍射效應的光柵模型的設計有很大的幫助。
液晶顯示面板的光柵結構產生了衍射圖樣。根據遠場方程，將衍射光計算為輸出光通過光柵介質的電場之和。
基于極坐標圖和圖像結果文件，對考慮衍射效應的光柵模型的設計有很大的幫助。
偏振體光柵(PVGs)模擬也可以用來識別一階反射率。
傾斜光柵的高級配置4個月前
由于在復雜光學設置中傾斜結構的光柵越來越重要，所以軟件中也加入了傾斜光柵的模型。傾斜光柵建模為特殊的光學介質，可以多樣化地定義其幾何形狀。此外，幾種高級規范選項也可以在軟件中實現，例如添加完整和部分涂層。這個用例解釋了可用的配置選項，并討論了它們對光柵幾何形狀的影響。
由于在復雜光學設置中傾斜結構的光柵越來越重要，所以軟件中也加入了傾斜光柵的模型。傾斜光柵建模為特殊的光學介質，可以多樣化地定義其幾何形狀。此外，幾種高級規范選項也可以在軟件中實現，例如添加完整和部分涂層。這個用例解釋了可用的配置選項，并討論了它們對光柵幾何形狀的影響。
第 1 步：構建參數化光柵模型
光柵模型首先在 Lumerical 中構建并保存在 .fsp 文件中。我們將需要兩個光柵模型。一種是一維光柵，用于耦合來自光源的光。一種是用于耦合光線的 1D 光柵。
第 2 步：構建 AR 波導并檢查瞳孔處的功率分布
接下來，在Zemax OpticStudio中構建出瞳擴展系統。
</p><p>參數設置</p><p class="ql-align-justify">不同波長光的衍射效率對光柵周期、傾角敏感，需通過 OAS 軟件進行參數優化，選用鋸齒形透射光柵，基于 OAS 內置光柵模型庫搭建三維模型，定義入射光入射角為 0°。
光學系統中光柵的建模——實例討論
通過典型的例子，我們解釋了如何在系統中建立光柵模型，并討論了諸如光柵排列、光柵級次選擇和角度響應設置等問題。
