衍射光波導(dǎo)
關(guān)注創(chuàng)建者：匿名 創(chuàng)建時間：2026-01-04
衍射光波導(dǎo)的實例教程
AR 衍射光波導(dǎo)的設(shè)計仿真與分析
簡介
目前 AR 衍射光波導(dǎo)發(fā)展迅速，對于衍射光波導(dǎo)的設(shè)計與仿真也在整體設(shè)計中起到重要的作用。本文重點介紹國產(chǎn)光學(xué)軟件 OAS (Optical Advanced Software) 對 AR 衍射光波導(dǎo)的設(shè)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(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，對于一維光柵波導(dǎo)，入射光通過耦入光柵耦入進波導(dǎo)進行全反射的傳播，然后通過轉(zhuǎn)向光柵改變光在波導(dǎo)中的傳播方向并進行擴瞳，最后通過耦出光柵將波導(dǎo)的光耦出到人眼并進行成像。對于二維光柵波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，由于二維光柵的衍射特性，可以同時起到耦出和擴瞳的作用，因此該結(jié)構(gòu)可以只使用兩個光柵來進行波導(dǎo)的設(shè)計，可以進一步縮小波導(dǎo)的體積，便于集成化的設(shè)計。
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
AR 設(shè)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(shù)也有所不同。光柵對入射光波長的敏感性，不同參數(shù)下對應(yīng)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(shè)計的方法。
對于工作波長450nm的藍光，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級的衍射效率。對于如下所示的鋸齒光柵。
圖2.1 鋸齒光柵結(jié)構(gòu)示意圖
對于這樣的一個初始結(jié)構(gòu)的選擇，可以在 OAS 軟件中進行相應(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。
展開 原文信息
原文標題：“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，劉祥彪, 張善文，段輝高，周常河
增強現(xiàn)實（AR）技術(shù)作為新興人機交互模式，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)勢成為核心發(fā)展方向。高品質(zhì)衍射光波導(dǎo)的設(shè)計優(yōu)化離不開專業(yè)仿真軟件。為填補國內(nèi)空白，本研究團隊研發(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，可納入微投影光機和人眼模型實現(xiàn)全維度仿真。
研究基于該模塊設(shè)計二維出瞳擴展衍射光波導(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)果對比，驗證了模塊的有效性與實用性，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)計出具備二維出瞳擴展的衍射光波導(dǎo)，整體系統(tǒng)由微型投影光機、光波導(dǎo)與人眼模型構(gòu)成，結(jié)構(gòu)設(shè)計極具優(yōu)勢。其投影光學(xué)系統(tǒng)焦距 14.5 mm，對角線視場角 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）
為驗證模塊性能，研發(fā)團隊與市面主流商業(yè)軟件，在衍射效率、均勻性及光線路徑等關(guān)鍵指標上展開對比，結(jié)果充分證明了該國產(chǎn)模塊的精度與可靠性。
展開 衍射光波導(dǎo)目前應(yīng)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(shè)計。衍射光波導(dǎo)方案主要有體全息衍射光波導(dǎo)（VHG）和表面浮雕衍射光波導(dǎo)（SRG）兩種方案。
本次研討會主要針對大家關(guān)心的 Zemax OpticStudio 在這兩類衍射光波導(dǎo)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?qū)?Zemax OpticStudio 在衍射光波導(dǎo)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(lián)合 Ansys Zemax
將在 2022年4月6日14點 舉辦一場網(wǎng)絡(luò)研討會
期待您的參與
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會議 · 主題
使用 Zemax OpticStudio 設(shè)計AR衍射光波導(dǎo)
(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(yīng)用工程師——谷晨風
會議 · 主辦方
武漢宇熠科技 & Ansys Zemax 聯(lián)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(yīng)用工程師——谷晨風，畢業(yè)于南京理工大學(xué)，獲光學(xué)碩士。
于2020年年初加入 Zemax ，負責協(xié)助用戶評估相關(guān)技術(shù)問題對應(yīng)的 Zemax 解決方案可行性并提供對應(yīng)的最優(yōu)解決方案建議。
展開 接下來，我們重點分析下光波導(dǎo)的另一個類群 – 衍射光波導(dǎo) (Diffractive Waveguide)， 我們將著重講解衍射光波導(dǎo)的工作原理，與幾何光波導(dǎo)相比的優(yōu)缺點，以及衍射光波導(dǎo)使用的兩種主流光柵 – “表面浮雕光柵(SRG)”和”全息體光柵(VHG)”。
AR眼鏡想要具備普通眼鏡的外觀，真正走向消費市場，衍射光波導(dǎo)，具體說表面浮雕光柵方案是目前的不二之選。目前諸如微軟HoloLens一代和二代、Magic Leap One等多家明星產(chǎn)品，使用并用消費級產(chǎn)品證明了衍射光波導(dǎo)的可量產(chǎn)性。Rokid最新發(fā)布的Rokid Vision AR眼鏡也是采用雙目衍射光波導(dǎo)的方案。
制造衍射光波導(dǎo)所需要精度和速度都可靠的電子束曝光和納米壓印的儀器都價格不菲，并且需要放置在專業(yè)的超凈間里，有條件建立該產(chǎn)線的廠商屈指可數(shù)。
下面，就讓我們通過后半部分的內(nèi)容，了解下對于AR眼鏡而言，神秘又重要的衍射光波導(dǎo)技術(shù)。
衍射光波導(dǎo)的核心 – 衍射光柵
要想光機產(chǎn)生的虛像被光波導(dǎo)傳遞到人眼，需要有一個光耦合入(couple-in)和耦合出(couple-out)波導(dǎo)的過程，在幾何光波導(dǎo)里這兩個過程都是由傳統(tǒng)光學(xué)元器件比如棱鏡、“半透半反”鏡面陣列完成的，過程簡單易懂，但是具有體積和量產(chǎn)工藝上的挑戰(zhàn)。在衍射光波導(dǎo)里，傳統(tǒng)的光學(xué)結(jié)構(gòu)被平面的衍射光柵(Diffractive Grating)取代，它的產(chǎn)生和流行得益于光學(xué)元件從毫米級別到微納米級別，從“立體”轉(zhuǎn)向“平面”的技術(shù)進步趨勢。
那么衍射光柵是什么呢？
展開 目前AR-HUD實現(xiàn)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(jīng)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(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)和二維擴瞳能力，極大減小對光機體積的需求，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。本次研討會將討論如何通過Ansys光學(xué)產(chǎn)品進行HUD的設(shè)計和仿真，并重點介紹如何結(jié)合 Ansys Zemax與Lumerical的動態(tài)連接工作流程進行衍射光波導(dǎo)系統(tǒng)的設(shè)計與優(yōu)化，助力AR-HUD的產(chǎn)品研發(fā)，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(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，主要負責Ansys Lumerical的業(yè)務(wù)開發(fā)與技術(shù)咨詢工作。
胡皓勝 | Ansys高級應(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)驗以及全球范圍技術(shù)支持經(jīng)驗。
形式：線上
費用：免費
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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。
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衍射光波導(dǎo)的最新內(nèi)容
3.4 光柵衍射角度理論計算
通過光柵方程n?×sin(θ?)=n?×sin(θ?)+m×λ/d，可精準計算各級衍射角度，僅1~4級衍射光可在波導(dǎo)內(nèi)實現(xiàn)有效傳播，其余級次光路被抑制，為光柵參數(shù)優(yōu)化提供理論依據(jù)。
1. 簡介
此前，OpticStudio 為一維光柵仿真提供了一維 RCWA 插件。本文介紹了一種類似但功能強大得多的工作流程，該流程基于 Zemax OpticStudio 與 Lumerical RCWA 之間的動態(tài)鏈接。
在這一工作流程中，設(shè)計人員在 Zemax OpticStudio 中構(gòu)建宏觀光學(xué)系統(tǒng)，并在 Lumerical 中構(gòu)建光柵的微結(jié)構(gòu)。兩款軟件中的仿真可無縫連接
OAS 光學(xué)軟件 | 一拖二光波導(dǎo)案例分析
01/前言
本案例針對AR設(shè)備小型化、高效能的應(yīng)用需求，依托 OAS 光學(xué)軟件的核心設(shè)計能力，提出解決方案。 OAS 光學(xué)軟件可精準實現(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
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光波導(dǎo)+超表面解決方案線下活動
當下，AR/VR、光通信、超透鏡、微納成像等領(lǐng)域飛速發(fā)展，光波導(dǎo)作為 AR 顯示核心、超表面作為光學(xué)系統(tǒng)小型化關(guān)鍵，設(shè)計與仿真難度陡增。
2026年5月15日，OAS 光學(xué)軟件光波導(dǎo)仿真 + 超表面仿真解決方案線下活動將于上海舉辦，助您掌握光波導(dǎo)/超表面仿真設(shè)計核心技能。誠邀光學(xué)領(lǐng)域各位專家、
核心應(yīng)用場景包括：
? AR/VR 顯示（主力）：消費級 AR 眼鏡滲透率超25%，衍射光波導(dǎo)因輕薄、高透光率、量產(chǎn)友好，成為主流方案，代表產(chǎn)品包括 HoloLens 2、Magic Leap 2及國產(chǎn)AI眼鏡。
? 光通信與光子集成：硅基光波導(dǎo)用于光開關(guān)、分束器、波分復(fù)用器，支撐數(shù)據(jù)中心光互連、800G/1.6T光模塊升級。
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，用于光柵分析的嚴格傅里葉模態(tài)算法
在增強現(xiàn)實和混合現(xiàn)實應(yīng)用 (AR & MR) 領(lǐng)域的波導(dǎo)光學(xué)器件設(shè)計過程中，橫向均勻性（每個視場模式）和整體效率是兩個最重要的評價函數(shù)。 為了在光波導(dǎo)系統(tǒng)中獲得適當?shù)木鶆蛐院托手担斜匾试S光柵參數(shù)的變化，特別是在光瞳擴展區(qū)域和/或耦出區(qū)域中。 為此，VirtualLab Fusion 能夠在光柵區(qū)域中引入平滑變化的光柵參數(shù)，并提供必要的工具來根據(jù)定義的評價函數(shù)運行優(yōu)化
[圖片]
軟件自動生成衍射光波導(dǎo)初始模型，支持 k 空間可視化與光柵結(jié)構(gòu)參數(shù)化編輯，可快速導(dǎo)入實測輪廓數(shù)據(jù)或自定義光柵形貌，完成耦入 / 耦出 / 擴瞳光柵的一體化建模，確保系統(tǒng)裝配關(guān)系與光路傳輸路徑高度貼合實裝狀態(tài)。
AR眼鏡成像案例分析
簡介
AR 眼鏡成像系統(tǒng)是實現(xiàn)虛實融合顯示的核心載體，由微顯示光機、衍射光波導(dǎo)、光柵耦合器等核心元件構(gòu)成，其光學(xué)性能直接決定近眼顯示的清晰度、視場角與沉浸式體驗。
