衍射光波導仿真的案例
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 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 Zemax Lumerical Speos 聯合實現衍射光波導AR系統設計仿真
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系統的傳播可視化。
3.可以通過照度傳感器收集射線并分析均勻性，傳感器允許計算光的輻照度(W/m2)或照度(Lux)。通過模擬結果，可以在波導的輸出耦合區域探索來自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播路徑。
4.使用亮度探測器，以display光源入射系統評估最終特定視場下的亮度結果，收集系統的亮度信息，使用inverse仿真計算，打開XMP結果，系統顯示圖像信息內容。當然在仿真過程中，Speos支持加入場景環境光，使得系統的環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，激活人眼視覺參數可以模擬人眼的空間適應性，調節人眼參數實現不同的人眼視覺結果，在可讀可視性分析中，可以分析場景環境下目標信息的可識別性。
5.如果選擇observer 探測器，允許定義多角度的仿真模擬，將會得到Speos 360結果，可以動態多點查看系統的人眼視覺效果。
結論
在本例中使用1-D光柵用于衍射光學元件，為了使模式進一步發展，用戶可以用自己的1-D甚至2-D光柵代替光柵，在一個或兩個方向上衍射光。
展開 Zemax Lumerical Speos | 聯合實現衍射光波導AR系統設計仿真
當然在仿真過程中，Speos支持加入場景環境光，使得系統的環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，激活人眼視覺參數可以模擬人眼的空間適應性，調節人眼參數實現不同的人眼視覺結果，在可讀可視性分析中，可以分析場景環境下目標信息的可識別性。
5.如果選擇observer 探測器，允許定義多角度的仿真模擬，將會得到Speos 360結果，可以動態多點查看系統的人眼視覺效果。
結論
在本例中使用1-D光柵用于衍射光學元件，為了使模式進一步發展，用戶可以用自己的1-D甚至2-D光柵代替光柵，在一個或兩個方向上衍射光。此外，為了設置景深考慮眼睛的真實感知，可以將Radiance亮度傳感器替換為Human eye人眼傳感器，然后進行進一步優化以調整性能。
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 【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 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 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 利用RSoft的BPM算法對光波導和簡單光波導器件進行仿真 ￥15
RSoft是一款非常實用的光波導仿真軟件。其中包含了BPM,FDTD,FEM等多種算法，使得它能夠適用于各種不同要求場合。本課程主要使用RSoft算法集中的BPM算法對光波導和簡單光波導器件進行仿真計算，從而對光在波導中的傳輸有一定得了解。
一、軟件CAD界面：
下載網站上的壓縮包，解壓縮后運行C:\Program Files\RSoft\bin文件夾中的bcadw32.exe，即出現如下圖所示的CAD界面。此界面是定義波導結構和下一步計算的前提。
二、單根波導的仿真：
在軟件中，點擊左上角的”New Circuit”按鈕，如圖所示。
點擊后彈出基本設置對話框，波導的一些基本特性參數需要在此設定。我們模擬目前光通信系統中應用最為廣泛的掩埋型二氧化硅波導（channel型）。波導橫截面的尺寸結構為6um*6um，芯層折射率為1.465，包層折射率為1.455（包層和芯層的折射率差為0.01），通信波長為1.55um。基本參數的設定如下圖所示（注意，軟件中關于長度的單位均為um）：
設置完畢后點擊”OK”，進入CAD界面。
首先畫一根直波導。點擊”Segment mode” （新建文件時默認就是此模式），如上圖紅圈所示。之后在空白的CAD窗口中某一處單擊鼠標左鍵，在任意另一處再單擊左鍵，即可畫出一條波導，如下圖所示。
到目前為止，畫出的波導是任意的，我們還需要對它進行設置，滿足我們設計的要求。將鼠標移動至波導上（紅色區域上），再單擊鼠標右鍵，會彈出波導的設置菜單。由于我們只需要仿真普通的直波導，所以大部分設置保持默認即可。主要需要調整波導的位置。在RSoft軟件中，波導位置是由首尾兩個坐標確定的，并且BPM計算的光是只沿著z軸傳播（即豎直方向），這個是需要特別注意的。
展開 
空間光調制器像素處光衍射的仿真
空間光調制器(SLM.0002 v1.1)
應用示例簡述
1. 系統細節
? 光源
— 高斯光束
? 組件
— 反射型空間光調制器組件及后續的2f系統
? 探測器
— 視覺感知的仿真
— 電磁場分布
? 建模/設計
— 場追跡：
? 一個SLM像素陣列處光傳播的仿真，仿真中包括了SLM像素間無功能間隔引起的衍射效應。
2. 系統說明
3. 模擬 & 設計結果
4. 總結
考慮SLM像素間隔來研究空間光調制器的性能。
第1步
將像素間隔引入到一個先前設計的用于光束整形的SLM透射函數。
第2步
分析不同區域填充因子的對性能的影響。
產生的衍射效應對SLM的光學功能以及效率具有重大影響。
應用示例詳細內容
系統參數
1. 該應用實例的內容
2. 設計&仿真任務
由于制造和技術的原因，像素之間存在非功能間隔。這種典型的間隔會產生衍射效應，從而影響SLM的光學性能，并在接下來的工作中對其進行研究。
3. 參數：輸入近乎平行的激光束
4. 參數：SLM像素陣列
5. 參數：SLM像素陣列
應用示例詳細內容
仿真&結果
1. VirtualLab能夠模擬具有間隔的SLM
? 由于可以嵌入組件，VirtualLab可以輕松的實現反射系統(如反射鏡，2f系統等)。
? 內置的SLM模式可以實現從簡單透射函數到包含像素和間隔的陣列的自動轉換。
2.
展開 VirtualLab運用：仿真一個空間光調制器像素點處光的衍射
光束整形＞衍射光學
任務/系統說明
亮點
?使用空間光調制器（SLM）模擬光束整形
?研究SLM像素間非功能性間距的影響
說明：光源
說明：SLM像素陣列
說明：傅立葉透鏡
說明：探測器
結果：3D系統視圖
結果：SLM近場區域
結果：SLM的遠場區域
結果：SLM遠場區域
文件&技術信息
Speos案例 | 基于Speos的衍射波導AR風擋HUD系統仿真解決方案
相較于傳統反射鏡式AR HUD，衍射波導型AR HUD憑借體積小巧、集成性強、適配各類車載座艙狹小空間的優勢，成為行業主流發展方向。衍射波導AR HUD融合納米級光柵微結構與宏觀投影鏡頭系統，光學鏈路復雜，傳統單一仿真軟件難以實現全鏈路性能校驗。Ansys光學仿真套件構建了Zemax OpticStudio+Lumerical +Speos一體化設計仿工作流，覆蓋投影鏡頭設計、亞波長光柵建模、系統級光學集成分析全流程。
其中Ansys Speos作為系統級仿真核心工具，可實現多軟件數據無縫對接、三維環境光學仿真、人眼視覺感知評估，為車載AR HUD光學性能優化、成像質量校驗、雜散光抑制提供專業仿真支撐。本文基于Ansys官方衍射波導AR風擋HUD仿真案例，全面解析Speos在AR HUD研發中的應用價值、仿真流程、核心參數及結果分析，為車載光學行業研發人員提供參考。
衍射波導AR HUD技術優勢與仿真痛點
1.1 技術核心優勢
AR HUD可將車速、導航、路況等行車信息直接投射至駕駛員視野區域，實現視線不離路的安全駕駛輔助。衍射波導架構摒棄傳統大體積反射鏡模組，利用表面浮雕光柵（SRG）與光波導全反射原理完成光信號傳輸，核心優勢如下：
結構微型化：整體體積遠小于傳統反射鏡方案，易于嵌入儀表臺狹小空間；
成像畫質優：可精準控制光路傳播，適配大視場、高清晰度成像需求；
適配性廣泛：兼容各類車型風擋曲面結構，滿足不同座艙布局設計要求。
展開 [NEWSLETTER] 光波導仿真的新功能
我們想強調特別是光波導工具箱的新功能——我們為增強和混合現實（AR & MR）應用感興趣的人提供的首選工具，比如近眼顯示的設計和分析。隨著新版本的發布，用戶可以訪問一個徹底更新的均勻性探測器，它現在包括用于計算均勻性的圖形表示，以便更方便地使用。此外，我們還增加了一個全新的探測器附加組件，旨在與探測器共享來自光波導的信息。在它的幫助下，用戶現在可以檢測到光波導內的電場，并看到疊加在結果上的光柵區域。欲了解更多信息，請查看下面的文件。
光波導系統的均勻性探測器
對于AR/MR器件領域的光導系統的性能評價，眼盒內光分布的橫向均勻性是最重要的參數之一。這個用例展示了如何在VirtualLab Fusion中使用均勻性檢測器。
在光波導結果中可視化光柵區域
在這個用例中，我們演示了一個通用探測器的探測器附加組件，它將光波導光柵區域的可視化的光疊加在場數據之上。
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