AR波導的案例
AR衍射光波導設計遇瓶頸，OAS 光學軟件來破局
3.光波導設計
光柵設計屬于光波導的前期設計，對于整體光波導的設計，首先需要確定其整體的尺寸范圍，包括波導的尺寸，光機的位置及眼盒的尺寸和位置。
圖3.1 AR 衍射光波導初始結構（包含波導，光源和眼盒）
通過眼盒和光源距離波導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系
圖中n1 n2分別為波導環境介質和波導材料介質，θ為視場角的最大值，d 為眼盒到波導的距離，通過這樣的參數就可以設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向光柵的尺寸參數。如下圖，為設計完成后的整體 AR 衍射光波導結構：
圖3.3 AR 衍射光波導結構（包含波導，光源，眼盒、耦入光柵、轉向光柵和耦出光柵）
4.追跡與仿真分析
對于一個完整的 AR 衍射光波導結構，除了上述的波導結構，還包括光機的準直系統和成像系統以構成完整的 AR 系統，如下圖所示：
圖4.1 AR 衍射光波導完整結構（包含波導，光源，眼盒、準直系統、耦入光柵、轉向光柵和耦出光柵）
對該結構進行光線追跡，軟件可以輸出眼盒的能量分布，后續也可以通過軟件來進行均勻性，成像的MTF分析等：
圖4.2 AR 衍射光波導追跡結構與光路圖。光源發出的光經準直系統準直然后通過光波導的傳輸準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 經過成像后的圖案分布
5. 總結
本文講解了通過 OAS 軟件進行 AR 衍射光波導的建模仿真與分析。
展開 Zemax案例 | 基于Zemax實現AR波導全視野高均勻性設計方案
引言
在增強現實（AR）技術飛速發展的當下，波導式AR顯示設備因兼具緊湊性與寬視野優勢，成為行業研發的核心方向。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，是波導式AR顯示技術突破的關鍵痛點。天津大學團隊在《Optics Express》發表的研究中，提出基于隨機掩模光柵（RMG）的L型光柵波導設計方案[1]，成功在20°×15°視野范圍內實現全視野眼動范圍均勻性均大于0.78的優異效果。而在這一創新研究的成像質量驗證環節，Zemax軟件憑借強大的光學仿真能力，成為驗證隨機掩模光柵成像性能的核心工具，為AR光柵波導的設計與優化提供了精準的技術支撐。
AR光柵波導的眼動范圍均勻性難題
AR技術自上世紀60年代問世以來，已廣泛應用于軍事、娛樂、醫療、教育等多個領域。其中，光柵波導因能通過出瞳擴孔器（EPE）實現大視場、大眼球盒，成為近眼AR顯示的主流技術方案。但在實際應用中，光柵波導的出瞳擴展過程中，未衍射光的能量會逐漸衰減，導致眼動范圍內的空間照度均勻性變差——用戶眼球轉動時，虛擬圖像的亮度會出現明顯波動，嚴重影響視覺體驗。
為解決這一問題，行業內先后提出多種優化方案：如對稱雙目波導系統、分區域設計衍射效率光柵、考慮多視場的衍射效率優化等。但這些方案均存在明顯短板：部分方案僅優化中心視場，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計復雜的光柵子結構，大幅提升了制造難度，難以實現產業化應用。實現全視野范圍內的高眼動范圍均勻性，同時兼顧設計效率與制造可行性，成為AR光柵波導技術發展亟待突破的核心問題。
展開 Speos案例 | 基于Speos的衍射波導AR風擋HUD系統仿真解決方案
引言
隨著智能汽車座艙技術快速迭代，增強現實抬頭顯示（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 AR 一拖二光波導雙目分離難實現？OAS 雙耦入光柵來助力
傳統波導系統中未被利用的0級透射光，在該方案中被傾斜光柵重新耦轉至另一眼路，從而顯著提高系統光能利用率。
06/總結
OAS 光學軟件一拖二波導案例，通過創新“雙耦入光柵”分光方案破解了單光機 AR 系統一拖二架構的核心痛點，凸顯 OAS 光學軟件的核心優勢：其可精準設計雙光柵協同結構，在有限波導尺寸內實現雙目能量分離與低串擾，同時通過0級透射光復用設計大幅提升光能利用率，為該架構落地提供了高效可行的技術支撐，彰顯了其在 AR 光波導設計領域的專業性。
[NEWSLETTER] 增強現實（AR）波導器件的MTF分析
基于光柵的波導已經開始主導增強和混合現實（AR & MR）領域。這些設備的最終測試是在設備用戶的視網膜處獲得數字仿生圖像的良好重建。性能的這一方面通常通過調制傳遞函數（MTF）來表征，調制傳遞函數（MTF）量化成像系統的分辨率能力。與視野范圍均勻性不同（增強現實小工具的質量的另一個重要度量，因為低均勻性可能導致極其不舒服的頻閃和閃爍效果），MTF對光源的時間相干性特性以及可能演變的任何衍射極其敏感，不僅在到視網膜的最后傳播步驟中（給定的，因為我們正在傳播到焦點中），而且關鍵的是，還有在波導內傳播時發生的衍射（通常由光柵區域邊界處的截斷引起）。
光學建模和設計軟件VirtualLab Fusion提供了完美的工具來應對這些具有挑戰性的設計任務。它的的建模技術所提供的靈活性實現了在單一軟件平臺上互操作性的最大無縫性，光學設計人員每次都能在精度和速度之間取得必要的平衡--模擬的精度和速度都能達到所需的準確性和盡可能快。
如果你仍然需要說服力，請繼續看看下面的例子！
用于AR應用的復雜波導器件中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內傳播的。當表征基于光柵波導的PSF和MTF以用于AR和MR領域時，必須在模型中考慮這些影響。
光波導的構造
可以使用光導組件及其靈活的區域定義在VirtualLab Fusion中設置帶有耦合光柵的光波導。
展開 AR&MR光波導器件的仿真研究
AR&MR光波導器件的仿真研究
使用光波導元件對“HoloLens 1”型進行建模
本使用案例演示了一個簡單的“HoloLens- 1”型布局設備的建模，該設備具有一個能夠以32°×18°視場引導光線的光波導組件。
光波導結構
使用光波導組件及其靈活的區域定義，可以在VirtualLab Fusion中設置帶有耦合光柵的光波導。
隨著增強現實和混合現實(AR&MR)領域新技術的出現，使光學光波導越來越受歡迎。為了對此類結構進行建模和設計，VirtualLab Fusion使用其強大的光波導工具箱，該工具箱允許靈活定義整體結構以及內外耦合器的不同區域。再加上它的非順序模擬引擎，結合了所有關鍵的物理效應，如偏振、孔徑衍射和相干性，為光學工程師提供了強大的工具，支持他們研究和設計用于AR和MR的光波導裝置。
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 【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 Zemax Lumerical Speos 聯合實現衍射光波導AR系統設計仿真
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。此外，使用observer傳感器從幾個定義的角度對光學系統進行可視化，探索人眼在多個視點的真實照明條件下的感知。
結果分析
1.在Speos中，設置材料光學屬性，surface properties選擇plugin，plugin中選擇lumerical-sub-wavelength*.sop文件，在parameters中選擇JSON文件，同時使用UV mapping功能，旋轉光柵方向。
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。
展開 增強現實（AR）波導器件的MTF分析
基于光柵的波導已經開始主導增強和混合現實（AR & MR）領域。這些設備的最終測試是在設備用戶的視網膜處獲得數字仿生圖像的良好重建。性能的這一方面通常通過調制傳遞函數（MTF）來表征，調制傳遞函數（MTF）量化成像系統的分辨率能力。與視野范圍均勻性不同（增強現實小工具的質量的另一個重要度量，因為低均勻性可能導致極其不舒服的頻閃和閃爍效果），MTF對光源的時間相干性特性以及可能演變的任何衍射極其敏感，不僅在到視網膜的最后傳播步驟中（給定的，因為我們正在傳播到焦點中），而且關鍵的是，還有在波導內傳播時發生的衍射（通常由光柵區域邊界處的截斷引起）。
光學建模和設計軟件VirtualLab Fusion提供了完美的工具來應對這些具有挑戰性的設計任務。它的的建模技術所提供的靈活性實現了在單一軟件平臺上互操作性的最大無縫性，光學設計人員每次都能在精度和速度之間取得必要的平衡--模擬的精度和速度都能達到所需的準確性和盡可能快。
如果你仍然需要說服力，請繼續看看下面的例子！
用于AR應用的復雜波導器件中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內傳播的。當表征基于光柵波導的PSF和MTF以用于AR和MR領域時，必須在模型中考慮這些影響。
光波導的構造
可以使用光導組件及其靈活的區域定義在VirtualLab Fusion中設置帶有耦合光柵的光波導。
展開 
AR光波導：空間漸變光柵設計
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果：
此外，在附件文件中，用戶還可以找到更多應用示例，包括 AR 波導、Flash LiDAR 以及曲面上的光柵。
Appendix - 自定義你的光柵
請注意，如果光柵文件（.fsp）設置不正確，可能會導致仿真失敗。我們已提供故障排查步驟，用于檢查 .fsp 文件中可能存在的問題。
每個周期單元中的光柵幾何結構都需要在 Lumerical 的 .fsp 文件中進行定義。在動態工作流程中，OpticStudio 會自動調用該 Lumerical .fsp 文件，應用由 OpticStudio 傳入的參數，然后計算電場響應。建議 .fsp 文件名長度小于 50。
如果用戶遵循以下規則，也可以自定義自己的參數化模型。
A.1 topcell
必須在 .fsp 文件中定義一個名為 “topcell” 的結構組。
Structure group 是 Lumerical 中一種對象組類型。簡單來說，structure group 可以看作一個復合對象，它由多個基本結構構成，例如 Polygon 和 Rectangle。當兩個結構發生重疊時，其優先級由對象的 mesh order 決定。
展開 光波導：主流AR眼鏡的核心顯示技術
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聯系我們：021-58403100
全文共8912個字，預計閱讀時間27分鐘
光波導，因其輕薄和外界光線的高穿透特性而被認為是消費級AR眼鏡的必選光學方案，又因其價格高和技術門檻高讓人望而卻步。
隨著主流AR設備微軟HoloLens2、Magic Leap One等對光波導技術的采用和設備量產，以及AR光學模組廠商DigiLens、耐德佳、靈犀微光等近期融資消息的頻繁披露，導致光波導的討論熱度也持續增加了不少。
那么，光波導的工作原理是怎樣的？
市面上林林總總的陣列光波導、幾何光波導、衍射光波導、全息光波導、多層光波導又有什么不同？
它又是如何一步步改變AR眼鏡市場格局的？
我們更看好哪一種光波導技術，為什么？
接下來，就讓Rokid R-lab光學研究科學家、美國加州伯克利大學電子工程系博士李琨為你娓娓道來。
李琨，浙江大學光電系本科畢業，美國加州伯克利大學電子工程系博士畢業，主要研究方向包括光學成像系統、光電子器件、半導體激光器和納米技術等。現就職位于美國舊金山灣區的Rokid R-lab，擔任光學研究科學家和多個項目負責人。
光波導，
一個應AR眼鏡需求而生的光學方案
增強現實(AR)與虛擬現實(VR)是近年來廣受關注的科技領域，它們的近眼顯示系統都是將顯示器上的像素， 通過一系列光學成像元件形成遠處的虛像并投射到人眼中。
展開 AR&MR光波導器件的仿真研究
隨著增強現實和混合現實(AR&MR)領域新技術的出現，使光學光波導越來越受歡迎。為了對此類結構進行建模和設計，VirtualLab Fusion使用其強大的光波導工具箱，該工具箱允許靈活定義整體結構以及內外耦合器的不同區域。再加上它的非順序模擬引擎，結合了所有關鍵的物理效應，如偏振、孔徑衍射和相干性，為光學工程師提供了強大的工具，支持他們研究和設計用于AR和MR的光波導裝置。
使用光波導元件對“HoloLens 1”型進行建模
本使用案例演示了一個簡單的“HoloLens- 1”型布局設備的建模，該設備具有一個能夠以32°×18°視場引導光線的光波導組件。
光波導結構
使用光波導組件及其靈活的區域定義，可以在VirtualLab Fusion中設置帶有耦合光柵的光波導。
展開 VirtualLab：用于AR/MR的光波導足跡分析
摘要
用于增強或混合現實應用的任何類型的光導系統，其設計過程中的一個主要部分是用于輸入耦合器、輸出耦合器和出瞳擴展器光柵區域的配置。為此，對光傳播以及發生的光柵相互作用進行快速而簡單的概述非常有幫助：足跡分析。借助足跡和光柵分析工具，VirtualLab提供了一個強大的工具，可在此過程中為光學工程師提供支持。在本文檔中，討論了這個多功能工具的選項和功能。
足跡和光柵分析工具
?足跡和光柵分析工具是光導工具箱黃金版的一個特色。
?它可以在開始功能區的光導部分進行初始化。
操作工具的基本流程
步驟1：選擇要分析的設置。它可以通過布局設計工具生成，詳見：
光導布局設計工具
但是請注意，足跡和光柵分析工具并不局限于特定的布局類型。您可以加載文件或直接從已經打開的文檔中選擇一個文件。
步驟2：定義該工具應該考慮的視場范圍。
步驟3：單擊分析按鈕。關于分析進度的詳細信息將在按鈕下方的面板中提供。
理想和實際光柵結果
足跡和光柵分析工具的結果可以分為兩個方面：
相互作用的足跡數據
相互作用的足跡數據文檔提供了一個所有光束足跡打到一個給定的光柵區域的彩色編碼插圖，配置視場(FOV)的不同模式有不同的顏色。用戶可以選擇在圖中顯示的視場模式。
注意
?如果 VirtualLab Fusion記錄了部分入射光束，則取決于基本光路中的“通道分辨率精度”設置。
?無論這個區域的光有多小或如何調制，該顯示都不會區分，并且將始終描繪完整的、相同大小的足跡圓。
中央視場的數據
傾斜視場模式數據
熱圖文檔
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