衍射光波導設計的案例
AR衍射光波導設計遇瓶頸，OAS 光學軟件來破局
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 回顧 | 使用 Zemax OpticStudio 設計AR衍射光波導（領取視頻）
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 國產光學軟件突破 | 3D可視化衍射光波導仿真
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 Zemax Lumerical Speos 聯合實現衍射光波導AR系統設計仿真
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 
【線上研討會】使用 Zemax OpticStudio 設計AR衍射光波導
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。
展開 Zemax Lumerical Speos | 聯合實現衍射光波導AR系統設計仿真
在這個聯合方案中，將介紹一個仿真工作流程來分析單色AR(增強現實)系統的光學性能，用Zemax OpticStudio設計的光學透鏡系統和用 Lumerical設計光柵結構，到Speos進行系統級分析。
概覽
增強現實(AR)是一種將屏幕上的虛擬世界與現實場景相結合的技術，使用Ansys的完整光學解決方案來設計和分析瞳孔擴展器EPE衍射光柵構成的AR系統，將Zemax OpticStudio的光學透鏡系統信息和Lumerical的光柵信息導入到Speos中，對這些系統進行系統級性能分析，使用Speos在3D環境中模擬整個AR光學系統時，這個互操作性工作流捕獲了光柵微結構和透鏡的宏觀結構之間的相互作用，并且可以在照明場景中準確感知視覺效果。
這個解決方案需要三個主要工具：
1. Zemax OpticStudio 設計投影透鏡，并將CAD模型導出到Speos；
2. 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
1.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。
展開 Zemax與Lumerical實現衍射光波導形式HUD設計與仿真【8月20日直播】
目前AR-HUD實現的主流方案是使用圖像生成單元PGU投影圖像至擴散膜后，經兩級自由曲面反射鏡反射至擋風玻璃后反射，讓圖像光進入人眼。但該HUD系統的體積大，一般在10L以上，這也影響了AR-HUD的廣泛應用進程。
而基于衍射光波導的AR-HUD方案，可以憑借其平板光波導超薄的結構和二維擴瞳能力，極大減小對光機體積的需求，這也是未來HUD發展的重要方向。
衍射光波導可以改變光信息傳播的方向和能量，進而引導光信息從波導內部傳輸到人眼，其核心和難點在于出瞳處均勻的復制N次入射光瞳，使出瞳面積/出光面積大幅度增大。這種設計極大的優化了系統結構，使得AR光學成像系統體積急劇縮小，引起產業矚目。
基于此，Ansys將于8月20日推出「衍射光波導的HUD聯合工作流」主題網絡研討會。本次研討會將討論如何通過Ansys光學產品進行HUD的設計和仿真，并重點介紹如何結合 Ansys Zemax與Lumerical的動態連接工作流程進行衍射光波導系統的設計與優化，助力AR-HUD的產品研發，加速上市流程。
時間：8月20日，16:00-17:00
講師簡介：
周錚 | Ansys高級應用工程師
畢業于華中科技大學和巴黎十一大光電信息專業，于2019年加入Ansys，主要負責Ansys Lumerical的業務開發與技術咨詢工作。
胡皓勝 | Ansys高級應用工程師
畢業于亞利桑那大學光學院，具有豐富 Zemax 官方培訓授課經驗以及全球范圍技術支持經驗。
形式：線上
費用：免費
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技術鄰簡介:
技術鄰專注于工科技術社區，從最早的CAE技術社區（中國CAE聯盟）發展而來，在CAE領域有20年的教學和咨詢服務經驗。
展開 [VirtualLab論文] 通過在增強現實顯示器衍射光波導中插入光學中間層實現角度選擇性衍射效率
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。引入區域選擇性氟化鎂（MgF?）中間層后，在 40° 視場角下，優化后的平均波導光效率從 8.02% 提升至 8.34%，其均勻性從 24.83% 提升至 35.02%。
展開 通過在增強現實顯示器衍射光波導中插入光學中間層實現角度選擇性衍射效率增強
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。引入區域選擇性氟化鎂（MgF?）中間層后，在 40° 視場角下，優化后的平均波導光效率從 8.02% 提升至 8.34%，其均勻性從 24.83% 提升至 35.02%。
展開 AR/VR衍射光波導性能提升遇阻？OAS光學軟件有方法
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，OAS可以直接生成相應初始光波導結構，包含光源、耦入光柵、耦出光柵、轉向光柵、眼盒等。設置好入射光的波長，光線尺寸等光線信息，光源到光波導的距離、視場、入射光介質、眼盒的尺寸、光波導材料，耦入耦出光柵的方向周期等等一系列參數，能夠通過內部算法計算得出。后續還有K空間可視化、光柵足跡分析、結果查看、PSF/MTF分析等。
光線追跡分析
利用 OAS 光學軟件對該衍射光波導系統進行光線追跡模擬。如圖所示，在完成光線追跡后，清晰展示了光線在整個系統中的傳播軌跡，包括從光源發出，經過一系列光學組件，最終進入衍射光波導部分的全過程。這一過程幫助研究人員準確把握光線走向，為后續分析奠定基礎。
像面輻照度分布分析
OAS 軟件進一步對像面的輻照度分布進行分析，結果以對數（lg）形式呈現于圖中。輻照度分布反映了像面上不同位置接收到的光能量密度。通過對像面輻照度分布的分析，能夠清晰了解系統成像的均勻性以及能量分布情況。
案例結果分析
雜散光現象
在輻照度圖上，可觀察到存在少量雜散光。雜散光的出現會降低系統成像的對比度和清晰度，對系統的性能產生不利影響。因此，準確識別雜散光來源并加以解決是優化光學系統的重要環節。
雜散光來源剖析
經深入分析，這些雜散光主要來源于透鏡準直系統。
展開 光通信設計軟件——OptiBPM 光波導設計軟件
OptiBPM 是一套用于設計復雜光波導的計算機輔助設計軟件，他功能強大、用戶友好，可仿真光器件中光信號的傳導、耦合、開關、分束、復用和解復用，讓您在計算機上創建各種光纖波導設計。
OptiBPM是基于光束傳播法(BPM)，對光通過任何波導介質進行仿真，無論是各向同性還是各向異性介質。使用OptiBPM用戶可以在考察近場分布的同時驗證發散場和波導場。
OptiBPM可以提高工程師的工作效率，減少設計風險，并降低與波導器件設計相關的整體成本。
OptiBPM可以模擬二維（2D）和三維（3D）波導器件中的光傳播。
2D區域是：
· X方向（垂直）-橫向
· Z方向（水平）-傳播方向
3D區域是：
· X方向（垂直）-橫向
· Y方向-深度
· Z方向（水平）-傳播方向
注：模擬器件在橫向尺寸上具有階梯狀的有效折射率分布。
要從真實的3D器件獲取二維器件，要應用有效折射率方法。從3D到2D的縮減包含用一維橫截面替換器件的二維橫截面。用一維有效折射率分布代替實際折射率截面。雖然有效折射率法是一種近似解，但它適用于許多器件。BPM 3D提供了階躍折射率波導設計所需的所有工具。在BPM 3D中，輸入建模數據，這些數據由折射率分布、起始傳播場和一組數值參數組成。折射率分布由項目布局中列出的波導結構提供。起始場可以是波導模式、高斯場、矩形場或用戶自定義場。起始場和其他模擬參數在Global Data對話框中指定，該對話框通過Simulation菜單訪問。
數值模擬
OptiBPM處理環境包含光束傳播方法（BPM）作為其核心元素，以及與BPM算法兼容的模式求解器。BPM基于控制介電質中光傳播的方程的數值解。BPM考慮單色信號，并與求解亥姆霍茲方程有關。
展開 
AR光波導：空間漸變光柵設計
RCWA 對象中 excitation（入射光） 的全部設置。這些設置將基于 OpticStudio 中入射光線的數據自動確定。
RCWA 對象中的 k 空間離散化（k-space discretization） 設置。關于這一點，請參見下文 “Max Order” 的說明。
A.7 如何修改 x/y 方向網格
我們無法直接編輯 x/y 方向的網格，而且通常也沒有必要修改 x/y 方向的網格。不過，如果用戶確實希望改變網格尺寸，那么這些數值實際上是由 k 矢量域（k vector domains） 的數量自動決定的。如果用戶增加 k 的數量，那么網格數量也會隨之增加。
A.8 如何在光柵中支持色散（折射率隨波長變化）
如下圖所示，本文提供的示例 .fsp 文件，例如 lswm_2D_hex_cylinder_221210.fsp，其設計方式是讓用戶能夠精確指定柱體的折射率，并且該折射率不隨波長變化。
不過，用戶也可以對這些 .fsp 文件進行修改，使折射率能夠根據波長自動變化。下面給出實現這一修改的簡要說明。
1.首先，需要從 topcell 對象中刪除對應的屬性，例如 “p4_pillar_index”。
2.然后，需要從 topcell 的腳本中刪除相關代碼。
展開 使用1D-1D EPE的光波導布局設計工具
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區域的光柵參數。
在這里，我們關注兩個與布局相關的工具:k-Layout Visualization和Layout Design，適用于具有可分離的1D-1D出瞳擴展和1D周期光柵結構的設備，如Hololens 1。觀看下面的用例，了解更多關于它們令人興奮的潛力!
波導布局設計工具
布局設計工具根據所需的規格允許設計一個定制的“Hololens 1”近似增強或混合現實系統。
K域可視化圖
本用例解釋了k-Layout可視化工具中使用的物理概念，并演示了其用法。
展開 VirtualLab Fusion：設計和優化衍射光擴散器以生成高帽
光路圖（LPD）的系統分析
15.總結
? VirtualLab Fusion提供易于使用的工具來設計和優化衍射光擴散器元件來生成矩形（擴散線或Top Hats）和任意光圖樣。
? 輔助設計步驟也使在衍射光學方面無經驗的光學工程師完成衍射光學元件的設計。
使用1D-1D EPE的光波導布局設計工具
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區域的光柵參數。
在這里，我們關注兩個與布局相關的工具:k-Layout Visualization和Layout Design，適用于具有可分離的1D-1D出瞳擴展和1D周期光柵結構的設備，如Hololens 1。觀看下面的用例，了解更多關于它們令人興奮的潛力!
波導布局設計工具
布局設計工具根據所需的規格允許設計一個定制的“Hololens 1”近似增強或混合現實系統。
K域可視化圖
本用例解釋了k-Layout可視化工具中使用的物理概念，并演示了其用法。
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