衍射光波導設計
關注創建者：匿名 創建時間：2025-12-02
衍射光波導設計的實例教程
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。
展開 2022年4月6日下午，由武漢宇熠與 Ansys Zemax 聯合舉辦的“使用 Zemax OpticStudio 設計AR衍射光波導”線上研討會圓滿結束。
本次研討會的主講老師是來自 Ansys Zemax 的高級應用工程師——谷晨風。老師針對大家關心的 Zemax OpticStudio 在這兩類衍射光波導課題上可提供的解決方案進行了介紹，也對大家常常涉及到的問題進行了解答。
本次研討會讓主講老師與參會人員進行了深入的對話與交流，增進了對會議主題的深刻認識，也對如何使用 Zemax OpticStudio 設計AR衍射光波導有了更深的理解和思考。
以下是谷晨風老師針對小伙伴們提出的問題做出的部分回答！
Q
請問有用 OptiSLang 優化整個光波導系統的案例嗎？
A
這個問題，問的很好，我稍微介紹一下我們目前的一些策略。Ansys 旗下三款主要的光學產品是 Lumerical 負責微納波動光學，Zemax 主要是幾何光學也有涉及到衍射和物理光學等等。另外就是 Speos，它可以承擔后端的非序列追跡任務和環境渲染，人眼響應的系統級仿真。
展開 原文信息
原文標題：“基于光線場追跡的國產3D可視化衍射光波導仿真模塊研究”
第一作者：覃嘉佳
通訊作者：宋強，劉祥彪, 張善文，段輝高，周常河
增強現實（AR）技術作為新興人機交互模式，其近眼顯示領域中，AR 衍射光波導技術因輕量化、小型化等優勢成為核心發展方向。高品質衍射光波導的設計優化離不開專業仿真軟件。為填補國內空白，本研究團隊研發了完全自主可控的 3D 可視化衍射光波導仿真模塊，覆蓋 k 域分析、光波導仿真與優化全過程，可納入微投影光機和人眼模型實現全維度仿真。
研究基于該模塊設計二維出瞳擴展衍射光波導，通過確定光柵矢量、劃分功能區域并精細調控光柵參數，結合光線場追跡完成仿真，并與國外商業軟件結果對比，驗證了模塊的有效性與實用性，為我國 AR 產業自主發展提供技術支撐。
二維出瞳擴展衍射光波導中的光線傳播示意圖（來自原文）
該模塊成功設計出具備二維出瞳擴展的衍射光波導，整體系統由微型投影光機、光波導與人眼模型構成，結構設計極具優勢。其投影光學系統焦距 14.5 mm，對角線視場角 28°，總長度僅 9.45 mm，光學元件直徑小于 5.4 mm，憑借緊湊小巧的特性，完美適配近眼顯示設備的輕量化需求。在性能表現上，該系統在 30 cycles/mm 采樣頻率下的光學調制傳遞函數（MTF）值均優于 0.7，成像質量穩定可靠。
可視化3D衍射光波導模組示意圖（來自原文）
為驗證模塊性能，研發團隊與市面主流商業軟件，在衍射效率、均勻性及光線路徑等關鍵指標上展開對比，結果充分證明了該國產模塊的精度與可靠性。
展開 Lumerical RCWA 或 FDTD 來模擬衍射光柵；
3.Speos 生成光輻射圖和人眼感知仿真結果。
設計流程
用Zemax OpticStuido設計鏡頭系統，并將相應的透鏡數據傳輸到Speos，從Zemax OpticStudio轉移鏡頭CAD模型到Speos有兩種方法：一種是使用Speos-Zemax光學透鏡導入工具，該工具可以通過Ansys store訪問，另一種是將透鏡系統導出為Zemax OpticStudio中的STEP文件，并將其插入到Speos中。
2.在Lumerical中的光柵設計，本例中基于波導的AR系統依靠衍射光柵來控制光束在波導中的傳播。利用RCWA求解器模擬了光柵的周期波長尺度結構，將耦合光柵、出耦合光柵和擴展光柵的衍射屬性保存在JSON數據文件中，該文件充分描述了所有入射角和波長的結構，并且作為表面屬性導入Speos，用以在光線在計算中模擬亞波長結構的屬性，用于Speos系統級研究。
3.將光柵參數文件(JSON)作為面屬性導入Speos，對AR系統亞波長衍射光學元件的特性進行建模。在Speos中，運行了光線追跡光度模擬，探索光線如何與基于波導的AR系統相互作用，并從亮度圖中提取關鍵的人眼感知指標。
展開 衍射光波導目前應用于 AR Glass 和 AR HUD 較多，越來越多的工程師們開始針對此課題進行研究，仿真及設計。衍射光波導方案主要有體全息衍射光波導（VHG）和表面浮雕衍射光波導（SRG）兩種方案。
本次研討會主要針對大家關心的 Zemax OpticStudio 在這兩類衍射光波導課題上可提供的解決方案進行介紹，也會涉及大家常問問題的回答。希望通過此次研討會，大家能夠對 Zemax OpticStudio 在衍射光波導課題所做的工作有一個清晰的了解，并在未來的工作中找到其可以選擇的解決方案。
武漢宇熠 聯合 Ansys Zemax
將在 2022年4月6日14點 舉辦一場網絡研討會
期待您的參與
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會議 · 主題
使用 Zemax OpticStudio 設計AR衍射光波導
(Solutions of AR Diffractive Waveguide Design in Zemax OpticStudio)
會議 · 時間
2022年4月6日 下午14:00-15:00
會議 · 講師
Ansys Zemax 高級應用工程師——谷晨風
會議 · 主辦方
武漢宇熠科技 & Ansys Zemax 聯合主辦
會議 · 地點
騰訊會議線上直播
講師介紹：谷晨風
Ansys Zemax 高級應用工程師——谷晨風，畢業于南京理工大學，獲光學碩士。
于2020年年初加入 Zemax ，負責協助用戶評估相關技術問題對應的 Zemax 解決方案可行性并提供對應的最優解決方案建議。
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衍射光波導設計的最新內容
1. 簡介
此前，OpticStudio 為一維光柵仿真提供了一維 RCWA 插件。本文介紹了一種類似但功能強大得多的工作流程，該流程基于 Zemax OpticStudio 與 Lumerical RCWA 之間的動態鏈接。
在這一工作流程中，設計人員在 Zemax OpticStudio 中構建宏觀光學系統，并在 Lumerical 中構建光柵的微結構。兩款軟件中的仿真可無縫連接
什么是光波導設計 的“坑”？
光波導作為 AR/VR 顯示、光通信、光子集成芯片等領域的核心光學組件，正驅動下一代光電產業的技術革新。但從設計到量產的全流程中，跨尺度物理建模、多物理場耦合、光柵參數優化、雜散光抑制等核心難題，讓大多的光學工程師反復陷入設計陷阱。
當前主流光學軟件在光波導場景下存在顯著功能短板，而行業高速擴張的需求與設計工具的滯后性形成尖銳矛盾
摘要 ：整體效率和圖像均勻性是增強現實顯示的重要評判標準。傳統的入射耦合光柵設計僅致力于提高一階衍射效率，卻未考慮光波導中衍射光的多次相互作用，因此存在不足。本研究中，為優化耦合光柵設計，引入了入射耦合表面浮雕光柵的背耦合損耗（BCL），以及到達出射耦合光柵的光功率與入射光功率的比值（定義為波導光效率，OEW）。通過在波導與光柵之間插入中間層，我們展示了一種兼具獨特角度選擇性與高衍射效率的簡單有效的方案
摘要：整體效率和圖像均勻性是增強現實顯示的重要評判標準。傳統的入射耦合光柵設計僅致力于提高一階衍射效率，卻未考慮光波導中衍射光的多次相互作用，因此存在不足。本研究中，為優化耦合光柵設計，引入了入射耦合表面浮雕光柵的背耦合損耗（BCL），以及到達出射耦合光柵的光功率與入射光功率的比值（定義為波導光效率，OEW）。通過在波導與光柵之間插入中間層，我們展示了一種兼具獨特角度選擇性與高衍射效率的簡單有效的方案
高品質衍射光波導的設計優化離不開專業仿真軟件。為填補國內空白，本研究團隊研發了完全自主可控的 3D 可視化衍射光波導仿真模塊，覆蓋 k 域分析、光波導仿真與優化全過程，可納入微投影光機和人眼模型實現全維度仿真。
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。
衍射波導準直系統設計案例
簡介
在現代光學顯示技術中，衍射光波導系統因其獨特的光學性能和緊湊的結構設計，在增強現實（AR）、虛擬現實（VR）等領域展現出巨大的應用潛力。本案例聚焦于衍射波導準直系統，旨在通過 OAS 光學軟件深入探究其光學性能，為系統的優化設計提供有力依據。
OAS 軟件在案例中的應用
光波導設計
利用OAS的布局設置，更改光波導的需求參數
為增強現實和混合現實應用設計光導器件極具挑戰性，由于角譜模式的完全混合，以及系統中大量的自由參數，這使得用“蠻力”方法來優化參數幾乎是不可能的。快速物理光學建模和設計軟件VirtualLab Fusion用Light Guide Toolbox Gold Edition為您提供了幾個系統的設計工具，幫助光學工程師以更可控的方式一步一步地解決設計過程。這些系統的設計工具涵蓋了器件的布局，以及耦合和EPE
此案例演示了設計和優化衍射光學元件的（DOE）作為光擴散器，來生成矩形高帽圖樣。
1.建模任務
DOE：擴散器
直徑：1.4mm X 1.4mm
相位等級：2
像素尺寸：>1um
2.照明光束參數
?波長：632.8nmm
?激光光束直徑（1/e2）：700um
3.期望輸出場參數
此應用案例演示了通過使用一個位圖文件來設計一個衍射光學元件（DOE）以用于光擴散器來生成一個光圖案。
1.建模任務
2.照明光束參數
?波長：532nm
?激光光束直徑（1/e2）：500um
3.期望輸出場參數
?位圖文件：DO.003_Diffuser_for_2D_Light_Mark_
