AR波導(dǎo)
關(guān)注創(chuàng)建者：匿名 創(chuàng)建時間：2026-01-04
AR波導(dǎo)的實例教程
3.光波導(dǎo)設(shè)計
光柵設(shè)計屬于光波導(dǎo)的前期設(shè)計，對于整體光波導(dǎo)的設(shè)計，首先需要確定其整體的尺寸范圍，包括波導(dǎo)的尺寸，光機的位置及眼盒的尺寸和位置。
圖3.1 AR 衍射光波導(dǎo)初始結(jié)構(gòu)（包含波導(dǎo)，光源和眼盒）
通過眼盒和光源距離波導(dǎo)的距離和光線的視場角以確定光柵的整體尺寸，尺寸確定如下：
圖3.2 耦出光柵和眼盒的尺寸關(guān)系
圖中n1 n2分別為波導(dǎo)環(huán)境介質(zhì)和波導(dǎo)材料介質(zhì)，θ為視場角的最大值，d 為眼盒到波導(dǎo)的距離，通過這樣的參數(shù)就可以設(shè)計出滿足最大視場角的最小光柵尺寸，對于耦入光柵原理與其相同，確定完耦入光柵和耦出光柵后就可以進一步確定轉(zhuǎn)向光柵的尺寸參數(shù)。如下圖，為設(shè)計完成后的整體 AR 衍射光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)：
圖3.3 AR 衍射光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)（包含波導(dǎo)，光源，眼盒、耦入光柵、轉(zhuǎn)向光柵和耦出光柵）
4.追跡與仿真分析
對于一個完整的 AR 衍射光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，除了上述的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，還包括光機的準(zhǔn)直系統(tǒng)和成像系統(tǒng)以構(gòu)成完整的 AR 系統(tǒng)，如下圖所示：
圖4.1 AR 衍射光波導(dǎo)完整結(jié)構(gòu)（包含波導(dǎo)，光源，眼盒、準(zhǔn)直系統(tǒng)、耦入光柵、轉(zhuǎn)向光柵和耦出光柵）
對該結(jié)構(gòu)進行光線追跡，軟件可以輸出眼盒的能量分布，后續(xù)也可以通過軟件來進行均勻性，成像的MTF分析等：
圖4.2 AR 衍射光波導(dǎo)追跡結(jié)構(gòu)與光路圖。光源發(fā)出的光經(jīng)準(zhǔn)直系統(tǒng)準(zhǔn)直然后通過光波導(dǎo)的傳輸準(zhǔn)直輸出到眼盒探測器上
圖4.3 追跡完成后眼盒的能量分布
圖4.4 經(jīng)過成像后的圖案分布
5. 總結(jié)
本文講解了通過 OAS 軟件進行 AR 衍射光波導(dǎo)的建模仿真與分析。
展開 引言
在增強現(xiàn)實（AR）技術(shù)飛速發(fā)展的當(dāng)下，波導(dǎo)式AR顯示設(shè)備因兼具緊湊性與寬視野優(yōu)勢，成為行業(yè)研發(fā)的核心方向。而眼動范圍（Eyebox）的照度均勻性，直接決定了用戶的沉浸式視覺體驗，是波導(dǎo)式AR顯示技術(shù)突破的關(guān)鍵痛點。天津大學(xué)團隊在《Optics Express》發(fā)表的研究中，提出基于隨機掩模光柵（RMG）的L型光柵波導(dǎo)設(shè)計方案[1]，成功在20°×15°視野范圍內(nèi)實現(xiàn)全視野眼動范圍均勻性均大于0.78的優(yōu)異效果。而在這一創(chuàng)新研究的成像質(zhì)量驗證環(huán)節(jié)，Zemax軟件憑借強大的光學(xué)仿真能力，成為驗證隨機掩模光柵成像性能的核心工具，為AR光柵波導(dǎo)的設(shè)計與優(yōu)化提供了精準(zhǔn)的技術(shù)支撐。
AR光柵波導(dǎo)的眼動范圍均勻性難題
AR技術(shù)自上世紀(jì)60年代問世以來，已廣泛應(yīng)用于軍事、娛樂、醫(yī)療、教育等多個領(lǐng)域。其中，光柵波導(dǎo)因能通過出瞳擴孔器（EPE）實現(xiàn)大視場、大眼球盒，成為近眼AR顯示的主流技術(shù)方案。但在實際應(yīng)用中，光柵波導(dǎo)的出瞳擴展過程中，未衍射光的能量會逐漸衰減，導(dǎo)致眼動范圍內(nèi)的空間照度均勻性變差——用戶眼球轉(zhuǎn)動時，虛擬圖像的亮度會出現(xiàn)明顯波動，嚴(yán)重影響視覺體驗。
為解決這一問題，行業(yè)內(nèi)先后提出多種優(yōu)化方案：如對稱雙目波導(dǎo)系統(tǒng)、分區(qū)域設(shè)計衍射效率光柵、考慮多視場的衍射效率優(yōu)化等。但這些方案均存在明顯短板：部分方案僅優(yōu)化中心視場，邊緣視場均勻性不佳；部分方案需迭代計算衍射效率分布，計算效率低下；還有部分方案要求設(shè)計復(fù)雜的光柵子結(jié)構(gòu)，大幅提升了制造難度，難以實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。實現(xiàn)全視野范圍內(nèi)的高眼動范圍均勻性，同時兼顧設(shè)計效率與制造可行性，成為AR光柵波導(dǎo)技術(shù)發(fā)展亟待突破的核心問題。
展開 引言
隨著智能汽車座艙技術(shù)快速迭代，增強現(xiàn)實抬頭顯示（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、適配各類車載座艙狹小空間的優(yōu)勢，成為行業(yè)主流發(fā)展方向。衍射波導(dǎo)AR HUD融合納米級光柵微結(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現(xiàn)全鏈路性能校驗。Ansys光學(xué)仿真套件構(gòu)建了Zemax OpticStudio+Lumerical +Speos一體化設(shè)計仿工作流，覆蓋投影鏡頭設(shè)計、亞波長光柵建模、系統(tǒng)級光學(xué)集成分析全流程。
其中Ansys Speos作為系統(tǒng)級仿真核心工具，可實現(xiàn)多軟件數(shù)據(jù)無縫對接、三維環(huán)境光學(xué)仿真、人眼視覺感知評估，為車載AR HUD光學(xué)性能優(yōu)化、成像質(zhì)量校驗、雜散光抑制提供專業(yè)仿真支撐。本文基于Ansys官方衍射波導(dǎo)AR風(fēng)擋HUD仿真案例，全面解析Speos在AR HUD研發(fā)中的應(yīng)用價值、仿真流程、核心參數(shù)及結(jié)果分析，為車載光學(xué)行業(yè)研發(fā)人員提供參考。
衍射波導(dǎo)AR HUD技術(shù)優(yōu)勢與仿真痛點
1.1 技術(shù)核心優(yōu)勢
AR HUD可將車速、導(dǎo)航、路況等行車信息直接投射至駕駛員視野區(qū)域，實現(xiàn)視線不離路的安全駕駛輔助。衍射波導(dǎo)架構(gòu)摒棄傳統(tǒng)大體積反射鏡模組，利用表面浮雕光柵（SRG）與光波導(dǎo)全反射原理完成光信號傳輸，核心優(yōu)勢如下：
結(jié)構(gòu)微型化：整體體積遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)反射鏡方案，易于嵌入儀表臺狹小空間；
成像畫質(zhì)優(yōu)：可精準(zhǔn)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(fēng)擋曲面結(jié)構(gòu)，滿足不同座艙布局設(shè)計要求。
展開 傳統(tǒng)波導(dǎo)系統(tǒng)中未被利用的0級透射光，在該方案中被傾斜光柵重新耦轉(zhuǎn)至另一眼路，從而顯著提高系統(tǒng)光能利用率。
06/總結(jié)
OAS 光學(xué)軟件一拖二波導(dǎo)案例，通過創(chuàng)新“雙耦入光柵”分光方案破解了單光機 AR 系統(tǒng)一拖二架構(gòu)的核心痛點，凸顯 OAS 光學(xué)軟件的核心優(yōu)勢：其可精準(zhǔn)設(shè)計雙光柵協(xié)同結(jié)構(gòu)，在有限波導(dǎo)尺寸內(nèi)實現(xiàn)雙目能量分離與低串?dāng)_，同時通過0級透射光復(fù)用設(shè)計大幅提升光能利用率，為該架構(gòu)落地提供了高效可行的技術(shù)支撐，彰顯了其在 AR 光波導(dǎo)設(shè)計領(lǐng)域的專業(yè)性。
AR&MR光波導(dǎo)器件的仿真研究
使用光波導(dǎo)元件對“HoloLens 1”型進行建模
本使用案例演示了一個簡單的“HoloLens- 1”型布局設(shè)備的建模，該設(shè)備具有一個能夠以32°×18°視場引導(dǎo)光線的光波導(dǎo)組件。
光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)
使用光波導(dǎo)組件及其靈活的區(qū)域定義，可以在VirtualLab Fusion中設(shè)置帶有耦合光柵的光波導(dǎo)。
隨著增強現(xiàn)實和混合現(xiàn)實(AR&MR)領(lǐng)域新技術(shù)的出現(xiàn)，使光學(xué)光波導(dǎo)越來越受歡迎。為了對此類結(jié)構(gòu)進行建模和設(shè)計，VirtualLab Fusion使用其強大的光波導(dǎo)工具箱，該工具箱允許靈活定義整體結(jié)構(gòu)以及內(nèi)外耦合器的不同區(qū)域。再加上它的非順序模擬引擎，結(jié)合了所有關(guān)鍵的物理效應(yīng)，如偏振、孔徑衍射和相干性，為光學(xué)工程師提供了強大的工具，支持他們研究和設(shè)計用于AR和MR的光波導(dǎo)裝置。
展開 
AR波導(dǎo)的相關(guān)專題、標(biāo)簽、搜索
AR波導(dǎo)的最新內(nèi)容
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、適配各類車載座艙狹小空間的優(yōu)勢，成為行業(yè)主流發(fā)展方向。衍射波導(dǎo)AR HUD融合納米級光柵微結(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現(xiàn)全鏈路性能校驗。
Lumerical FDTD 窗口會自動建立鏈接，隨后 3D Layout 將如下圖所示：
如果進行光線追跡，我們可以在探測器中看到如下所示的結(jié)果：
此外，在附件文件中，用戶還可以找到更多應(yīng)用示例，包括 AR 波導(dǎo)、Flash LiDAR 以及曲面上的光柵。
OAS 光學(xué)軟件可精準(zhǔn)實現(xiàn)光柵協(xié)同設(shè)計與光能高效復(fù)用，有效破解行業(yè)核心技術(shù)痛點，為 AR 光波導(dǎo)一拖二架構(gòu)的工程化落地提供專業(yè)技術(shù)支撐。
02/案例描述
在單光機 AR 光波導(dǎo)系統(tǒng)中，一拖二架構(gòu)的核心難點在于，如何在有限的波導(dǎo)尺寸內(nèi)實現(xiàn)雙目能量分離，同時保證系統(tǒng)的高效率與低串?dāng)_。
引言
在增強現(xiàn)實（AR）技術(shù)飛速發(fā)展的當(dāng)下，波導(dǎo)式AR顯示設(shè)備因兼具緊湊性與寬視野優(yōu)勢，成為行業(yè)研發(fā)的核心方向。而眼動范圍（Eyebox）的照度均勻性，直接決定了用戶的沉浸式視覺體驗，是波導(dǎo)式AR顯示技術(shù)突破的關(guān)鍵痛點。
AR全息波導(dǎo)的模擬可以基于Zemax序列模式建模，結(jié)合全息構(gòu)造/重構(gòu)雙階段原理、材料折射率波長縮放、坐標(biāo)間斷以及主光線求解等實現(xiàn)精準(zhǔn)光路仿真，兼顧光線追跡效率與衍射光學(xué)效應(yīng)還原度，支撐AR光學(xué)系統(tǒng)從原型到優(yōu)化的全流程設(shè)計。
本次研討會覆蓋AR全息光波導(dǎo)設(shè)計全流程，包含系統(tǒng)規(guī)格定義、全息圖表面設(shè)置、波導(dǎo)TIR結(jié)構(gòu)搭建、像質(zhì)優(yōu)化、物理約束與工程化改進等核心環(huán)節(jié)。
連續(xù)調(diào)制光柵區(qū)域光波導(dǎo)的優(yōu)化
在下面的例子中，您可以看到這些工具中的一些發(fā)揮作用：
快速物理光學(xué)軟件VirtualLab Fusion通過其波導(dǎo)工具箱提供了一系列方便的工具，可在設(shè)計過程中幫助光學(xué)工程師。例如用于光柵結(jié)構(gòu)配置的用戶友好的工作流程，用于光柵分析的嚴(yán)格傅里葉模態(tài)算法
用于AR應(yīng)用的復(fù)雜波導(dǎo)器件中MTF分析的精度-速度平衡控制
在這個用例中，我們展示了光源的時間相干性和衍射是如何影響光在波導(dǎo)內(nèi)傳播的。當(dāng)表征基于光柵波導(dǎo)的PSF和MTF以用于AR和MR領(lǐng)域時，必須在模型中考慮這些影響。
光波導(dǎo)的構(gòu)造
可以使用光導(dǎo)組件及其靈活的區(qū)域定義在VirtualLab Fusion中設(shè)置帶有耦合光柵的光波導(dǎo)。
摘要
在這個用例中，一個完整的FOV測試圖像(在x和y方向分別采樣101個角度，總共有10,201個角度)通過波導(dǎo)設(shè)備傳播。
一個具有數(shù)百個嚴(yán)格光柵評估的基本模擬大約需要7秒。這導(dǎo)致整個圖像的估計總計算時間超過31小時。
通過使用一個由8個多核PC組成的網(wǎng)絡(luò)，提供35個客戶端分布式計算，將模擬時間減少到1小時5分鐘。
基本模擬任務(wù)
基本任務(wù)集合：FOV
使用分布式計算的集合模擬
基于分布式計算的AR光波導(dǎo)中測試圖像的仿真
這些例子演示了通過新的分布式計算包可以實現(xiàn)改變游戲規(guī)則的模擬加速。
作為第二個例子，我們準(zhǔn)備了一個使用白光干涉儀的相干性測量。在這個例子中，多波長以及干涉儀臂的位移會產(chǎn)生總共2904次模擬。
[圖片]
