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衍射光波導(dǎo)仿真

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創(chuàng)建者：匿名 創(chuàng)建時(shí)間：2026-01-04
衍射光波導(dǎo)仿真圖1

衍射光波導(dǎo)仿真的實(shí)例教程

原文信息 原文標(biāo)題：“基于光線場追跡的國產(chǎn)3D可視化衍射光波導(dǎo)仿真模塊研究” 第一作者：覃嘉佳 通訊作者：宋強(qiáng)，劉祥彪, 張善文，段輝高，周常河 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）技術(shù)作為新興人機(jī)交互模式，其近眼顯示領(lǐng)域中，AR 衍射光波導(dǎo)技術(shù)因輕量化、小型化等優(yōu)勢(shì)成為核心發(fā)展方向。高品質(zhì)衍射光波導(dǎo)的設(shè)計(jì)優(yōu)化離不開專業(yè)仿真軟件。為填補(bǔ)國內(nèi)空白，本研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)了完全自主可控的 3D 可視化衍射光波導(dǎo)仿真模塊，覆蓋 k 域分析、光波導(dǎo)仿真與優(yōu)化全過程，可納入微投影光機(jī)和人眼模型實(shí)現(xiàn)全維度仿真。 研究基于該模塊設(shè)計(jì)二維出瞳擴(kuò)展衍射光波導(dǎo)，通過確定光柵矢量、劃分功能區(qū)域并精細(xì)調(diào)控光柵參數(shù)，結(jié)合光線場追跡完成仿真，并與國外商業(yè)軟件結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)證了模塊的有效性與實(shí)用性，為我國 AR 產(chǎn)業(yè)自主發(fā)展提供技術(shù)支撐。 二維出瞳擴(kuò)展衍射光波導(dǎo)中的光線傳播示意圖（來自原文） 該模塊成功設(shè)計(jì)出具備二維出瞳擴(kuò)展的衍射光波導(dǎo)，整體系統(tǒng)由微型投影光機(jī)、光波導(dǎo)與人眼模型構(gòu)成，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)極具優(yōu)勢(shì)。其投影光學(xué)系統(tǒng)焦距 14.5 mm，對(duì)角線視場角 28°，總長度僅 9.45 mm，光學(xué)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(shè)備的輕量化需求。在性能表現(xiàn)上，該系統(tǒng)在 30 cycles/mm 采樣頻率下的光學(xué)調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF）值均優(yōu)于 0.7，成像質(zhì)量穩(wěn)定可靠。 可視化3D衍射光波導(dǎo)模組示意圖（來自原文） 為驗(yàn)證模塊性能，研發(fā)團(tuán)隊(duì)與市面主流商業(yè)軟件，在衍射效率、均勻性及光線路徑等關(guān)鍵指標(biāo)上展開對(duì)比，結(jié)果充分證明了該國產(chǎn)模塊的精度與可靠性。
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AR 衍射光波導(dǎo)的設(shè)計(jì)仿真與分析 簡介 目前 AR 衍射光波導(dǎo)發(fā)展迅速，對(duì)于衍射光波導(dǎo)的設(shè)計(jì)與仿真也在整體設(shè)計(jì)中起到重要的作用。本文重點(diǎn)介紹國產(chǎn)光學(xué)軟件 OAS (Optical Advanced Software) 對(duì) AR 衍射光波導(dǎo)的設(shè)計(jì)與仿真分析，可以同時(shí)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(tǒng)的傳輸效率及成像效果。 1.AR 衍射光波導(dǎo)系統(tǒng) 下圖為 AR 衍射光波導(dǎo)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)視圖，包括一維光柵光波導(dǎo)和二維光柵光波導(dǎo)，從波導(dǎo)的法向方向查看，對(duì)于一維光柵波導(dǎo)，入射光通過耦入光柵耦入進(jìn)波導(dǎo)進(jìn)行全反射的傳播，然后通過轉(zhuǎn)向光柵改變光在波導(dǎo)中的傳播方向并進(jìn)行擴(kuò)瞳，最后通過耦出光柵將波導(dǎo)的光耦出到人眼并進(jìn)行成像。對(duì)于二維光柵波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，由于二維光柵的衍射特性，可以同時(shí)起到耦出和擴(kuò)瞳的作用，因此該結(jié)構(gòu)可以只使用兩個(gè)光柵來進(jìn)行波導(dǎo)的設(shè)計(jì)，可以進(jìn)一步縮小波導(dǎo)的體積，便于集成化的設(shè)計(jì)。 圖1.1 衍射光波導(dǎo)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)視圖（波導(dǎo)法向視圖）。(a) L型三分區(qū)一維光柵波導(dǎo)；(b) 二維光柵波導(dǎo) 2.光柵設(shè)計(jì) AR 設(shè)計(jì)中不同光柵的作用不同，相對(duì)的，光柵的工作級(jí)次和周期等參數(shù)也有所不同。光柵對(duì)入射光波長的敏感性，不同參數(shù)下對(duì)應(yīng)的光柵工作級(jí)次的衍射效率等都是需要考慮的指標(biāo)。下述為常見光柵設(shè)計(jì)的方法。 對(duì)于工作波長450nm的藍(lán)光，光源介質(zhì)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(jí)的衍射效率。對(duì)于如下所示的鋸齒光柵。 圖2.1 鋸齒光柵結(jié)構(gòu)示意圖 對(duì)于這樣的一個(gè)初始結(jié)構(gòu)的選擇，可以在 OAS 軟件中進(jìn)行相應(yīng)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(jié)構(gòu)，周期350nm，最后便是對(duì)軟件中探測器的建立，整體的光柵系統(tǒng)用于分析光柵的性能。
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2.光柵可以將光衍射成具有特定不同方向的幾束光束。為了探究光柵對(duì)光傳播的影響，可以使用交互式模擬，使光線從光源通過光學(xué)系統(tǒng)的傳播可視化。 3.可以通過照度傳感器收集射線并分析均勻性，傳感器允許計(jì)算光的輻照度(W/m2)或照度(Lux)。通過模擬結(jié)果，可以在波導(dǎo)的輸出耦合區(qū)域探索來自520nm均勻顯示源的輻照度。模擬完成后，雙擊XMP打開輻照度圖，并檢查均勻性。模擬計(jì)算選擇LXP，打開得到的lpf文件，通過measure功能，能供追跡光源到探測器的光線轉(zhuǎn)播路徑。 4.使用亮度探測器，以display光源入射系統(tǒng)評(píng)估最終特定視場下的亮度結(jié)果，收集系統(tǒng)的亮度信息，使用inverse仿真計(jì)算，打開XMP結(jié)果，系統(tǒng)顯示圖像信息內(nèi)容。當(dāng)然在仿真過程中，Speos支持加入場景環(huán)境光，使得系統(tǒng)的環(huán)境信息和顯示信息全部疊加到用戶的視野上。另外在人眼視覺條件下，激活人眼視覺參數(shù)可以模擬人眼的空間適應(yīng)性，調(diào)節(jié)人眼參數(shù)實(shí)現(xiàn)不同的人眼視覺結(jié)果，在可讀可視性分析中，可以分析場景環(huán)境下目標(biāo)信息的可識(shí)別性。 5.如果選擇observer 探測器，允許定義多角度的仿真模擬，將會(huì)得到Speos 360結(jié)果，可以動(dòng)態(tài)多點(diǎn)查看系統(tǒng)的人眼視覺效果。 結(jié)論 在本例中使用1-D光柵用于衍射光學(xué)元件，為了使模式進(jìn)一步發(fā)展，用戶可以用自己的1-D甚至2-D光柵代替光柵，在一個(gè)或兩個(gè)方向上衍射光。
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當(dāng)然在仿真過程中，Speos支持加入場景環(huán)境光，使得系統(tǒng)的環(huán)境信息和顯示信息全部疊加到用戶的視野上。另外在人眼視覺條件下，激活人眼視覺參數(shù)可以模擬人眼的空間適應(yīng)性，調(diào)節(jié)人眼參數(shù)實(shí)現(xiàn)不同的人眼視覺結(jié)果，在可讀可視性分析中，可以分析場景環(huán)境下目標(biāo)信息的可識(shí)別性。 5.如果選擇observer 探測器，允許定義多角度的仿真模擬，將會(huì)得到Speos 360結(jié)果，可以動(dòng)態(tài)多點(diǎn)查看系統(tǒng)的人眼視覺效果。 結(jié)論 在本例中使用1-D光柵用于衍射光學(xué)元件，為了使模式進(jìn)一步發(fā)展，用戶可以用自己的1-D甚至2-D光柵代替光柵，在一個(gè)或兩個(gè)方向上衍射光。此外，為了設(shè)置景深考慮眼睛的真實(shí)感知，可以將Radiance亮度傳感器替換為Human eye人眼傳感器，然后進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化以調(diào)整性能。
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目前AR-HUD實(shí)現(xiàn)的主流方案是使用圖像生成單元PGU投影圖像至擴(kuò)散膜后，經(jīng)兩級(jí)自由曲面反射鏡反射至擋風(fēng)玻璃后反射，讓圖像光進(jìn)入人眼。但該HUD系統(tǒng)的體積大，一般在10L以上，這也影響了AR-HUD的廣泛應(yīng)用進(jìn)程。 而基于衍射光波導(dǎo)的AR-HUD方案，可以憑借其平板光波導(dǎo)超薄的結(jié)構(gòu)和二維擴(kuò)瞳能力，極大減小對(duì)光機(jī)體積的需求，這也是未來HUD發(fā)展的重要方向。 衍射光波導(dǎo)可以改變光信息傳播的方向和能量，進(jìn)而引導(dǎo)光信息從波導(dǎo)內(nèi)部傳輸?shù)饺搜郏浜诵暮碗y點(diǎn)在于出瞳處均勻的復(fù)制N次入射光瞳，使出瞳面積/出光面積大幅度增大。這種設(shè)計(jì)極大的優(yōu)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，使得AR光學(xué)成像系統(tǒng)體積急劇縮小，引起產(chǎn)業(yè)矚目。 基于此，Ansys將于8月20日推出「衍射光波導(dǎo)的HUD聯(lián)合工作流」主題網(wǎng)絡(luò)研討會(huì)。本次研討會(huì)將討論如何通過Ansys光學(xué)產(chǎn)品進(jìn)行HUD的設(shè)計(jì)和仿真，并重點(diǎn)介紹如何結(jié)合 Ansys Zemax與Lumerical的動(dòng)態(tài)連接工作流程進(jìn)行衍射光波導(dǎo)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化，助力AR-HUD的產(chǎn)品研發(fā)，加速上市流程。 時(shí)間：8月20日，16:00-17:00 講師簡介： 周錚 | Ansys高級(jí)應(yīng)用工程師 畢業(yè)于華中科技大學(xué)和巴黎十一大光電信息專業(yè)，于2019年加入Ansys，主要負(fù)責(zé)Ansys Lumerical的業(yè)務(wù)開發(fā)與技術(shù)咨詢工作。 胡皓勝 | Ansys高級(jí)應(yīng)用工程師 畢業(yè)于亞利桑那大學(xué)光學(xué)院，具有豐富 Zemax 官方培訓(xùn)授課經(jīng)驗(yàn)以及全球范圍技術(shù)支持經(jīng)驗(yàn)。 形式：線上 費(fèi)用：免費(fèi) 掃碼立即報(bào)名 技術(shù)鄰簡介: 技術(shù)鄰專注于工科技術(shù)社區(qū)，從最早的CAE技術(shù)社區(qū)（中國CAE聯(lián)盟）發(fā)展而來，在CAE領(lǐng)域有20年的教學(xué)和咨詢服務(wù)經(jīng)驗(yàn)。
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衍射光波導(dǎo)仿真圖2

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衍射光波導(dǎo)仿真的最新內(nèi)容

引言 隨著智能汽車座艙技術(shù)快速迭代，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)抬頭顯示（AR HUD）已成為高端智能車載座艙的核心配置。相較于傳統(tǒng)反射鏡式AR HUD，衍射波導(dǎo)型AR HUD憑借體積小巧、集成性強(qiáng)、適配各類車載座艙狹小空間的優(yōu)勢(shì)，成為行業(yè)主流發(fā)展方向。衍射波導(dǎo)AR HUD融合納米級(jí)光柵微結(jié)構(gòu)與宏觀投影鏡頭系統(tǒng)，光學(xué)鏈路復(fù)雜，傳統(tǒng)單一仿真軟件難以實(shí)現(xiàn)全鏈路性能校驗(yàn)。Ansys光學(xué)仿真套件構(gòu)建了Zemax OpticStudio
隨著2023.1版本的發(fā)布，一整套有趣的新特性被添加到快速物理光學(xué)建模和設(shè)計(jì)軟件VirtualLab Fusion。貼合發(fā)布的主題之一——“探測器革命”——我們提出了新的工具，通過新的通用探測器和各種有用的附加組件來提取關(guān)于您的光學(xué)系統(tǒng)的信息。 我們想強(qiáng)調(diào)特別是光波導(dǎo)工具箱的新功能——我們?yōu)樵鰪?qiáng)和混合現(xiàn)實(shí)（AR & MR）應(yīng)用感興趣的人提供的首選工具，比如近眼顯示的設(shè)計(jì)和分析。隨著新版本的發(fā)布
摘要 眾所周知，因?yàn)楣鈱W(xué)配置的復(fù)雜性和多光源模型建模的視場（FOV）等，針對(duì)增強(qiáng)和混合現(xiàn)實(shí)（AR，MR）應(yīng)用的光波導(dǎo)組合器建模是具有挑戰(zhàn)性的。因此，詳細(xì)的分析，例如對(duì)視場角特性的光學(xué)性能的分析，可能是相當(dāng)耗時(shí)的，因?yàn)楸仨毧紤]許多光源模式和視場角。在這個(gè)用例中，我們使用一個(gè)具有101×101個(gè)采樣點(diǎn)（即角度）的棋盤格測試圖像來研究光波導(dǎo)的角度性能，從而得到10201個(gè)單獨(dú)的基本模擬結(jié)果。
摘要 ：整體效率和圖像均勻性是增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示的重要評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。傳統(tǒng)的入射耦合光柵設(shè)計(jì)僅致力于提高一階衍射效率，卻未考慮光波導(dǎo)中衍射光的多次相互作用，因此存在不足。本研究中，為優(yōu)化耦合光柵設(shè)計(jì)，引入了入射耦合表面浮雕光柵的背耦合損耗（BCL），以及到達(dá)出射耦合光柵的光功率與入射光功率的比值（定義為波導(dǎo)光效率，OEW）。通過在波導(dǎo)與光柵之間插入中間層，我們展示了一種兼具獨(dú)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(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示的重要評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。傳統(tǒng)的入射耦合光柵設(shè)計(jì)僅致力于提高一階衍射效率，卻未考慮光波導(dǎo)中衍射光的多次相互作用，因此存在不足。本研究中，為優(yōu)化耦合光柵設(shè)計(jì)，引入了入射耦合表面浮雕光柵的背耦合損耗（BCL），以及到達(dá)出射耦合光柵的光功率與入射光功率的比值（定義為波導(dǎo)光效率，OEW）。通過在波導(dǎo)與光柵之間插入中間層，我們展示了一種兼具獨(dú)特角度選擇性與高衍射效率的簡單有效的方案
為填補(bǔ)國內(nèi)空白，本研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)了完全自主可控的 3D 可視化衍射光波導(dǎo)仿真模塊，覆蓋 k 域分析、光波導(dǎo)仿真與優(yōu)化全過程，可納入微投影光機(jī)和人眼模型實(shí)現(xiàn)全維度仿真。
AR 衍射光波導(dǎo)的設(shè)計(jì)仿真與分析 簡介 目前 AR 衍射光波導(dǎo)發(fā)展迅速，對(duì)于衍射光波導(dǎo)的設(shè)計(jì)與仿真也在整體設(shè)計(jì)中起到重要的作用。本文重點(diǎn)介紹國產(chǎn)光學(xué)軟件 OAS (Optical Advanced Software) 對(duì) AR 衍射光波導(dǎo)的設(shè)計(jì)與仿真分析，可以同時(shí)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(tǒng)的傳輸效率及成像效果。
wx_fmt=jpeg&amp;from=appmsg"></p><p class="ql-align-center">圖3.1 OAS體全息光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)示意圖</p><p><br></p><p><strong>軟件優(yōu)勢(shì)</strong></p><p>對(duì)于傳統(tǒng)的BSDF衍射光波導(dǎo)的仿真，需要花費(fèi)大量的時(shí)間成本以及硬件需求來保證前期光柵結(jié)構(gòu)的BSDF數(shù)據(jù)庫的豐富性和準(zhǔn)確性，后續(xù)系統(tǒng)仿真過程中也需要花費(fèi)時(shí)間進(jìn)行