衍射光波導的案例
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 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 【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 光波導：主流AR眼鏡的核心顯示技術
接下來，我們重點分析下光波導的另一個類群 – 衍射光波導 (Diffractive Waveguide)， 我們將著重講解衍射光波導的工作原理，與幾何光波導相比的優缺點，以及衍射光波導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，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等多家明星產品，使用并用消費級產品證明了衍射光波導的可量產性。Rokid最新發布的Rokid Vision AR眼鏡也是采用雙目衍射光波導的方案。
制造衍射光波導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的超凈間里，有條件建立該產線的廠商屈指可數。
下面，就讓我們通過后半部分的內容，了解下對于AR眼鏡而言，神秘又重要的衍射光波導技術。
衍射光波導的核心 – 衍射光柵
要想光機產生的虛像被光波導傳遞到人眼，需要有一個光耦合入(couple-in)和耦合出(couple-out)波導的過程，在幾何光波導里這兩個過程都是由傳統光學元器件比如棱鏡、“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工藝上的挑戰。在衍射光波導里，傳統的光學結構被平面的衍射光柵(Diffractive Grating)取代，它的產生和流行得益于光學元件從毫米級別到微納米級別，從“立體”轉向“平面”的技術進步趨勢。
那么衍射光柵是什么呢？
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
掃碼立即報名
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 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。
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（截至6月30日）
對于從事光學設計工作的同行，無論是初學者還是大神都值得花時間一看，相信它會為您在拓展企業產品時，提供新的思路和方法，話不多說，以下為視頻簡介↓↓↓
《精選視頻》
01 用 Zemax OpticStudio設計AR衍射光波導
本視頻主要針對大家關心的 Zemax OpticStudio 在體全息衍射光波導（VHG）和表面浮雕衍射光波導（SRG）這兩類衍射光波導課題上可提供的解決方案進行介紹，也會涉及一些常見問題的解答。
02 用 Kogelnik 的方法模擬體全息光柵的衍射效率（ARVR ）
本視頻詳細介紹了 Kogelnik 理論介紹與實際范例，以及可用于設計 AR / VR、HUD 和 HMD 等系統中所需要的元件。
03 如何使用 Ansys Zemax 進行光柵建模
☆ 使用DLL建模光柵
☆ DLL 參數
☆ Ansys Zemax 光柵參數
☆ 案例：衍射光波導
04 設計汽車抬頭顯示器（HUD）
☆HUD 設計概述
☆序列模式反向光路系統搭建
☆序列模式正向光路系統搭建
☆非序列模式中系統建立及模擬
☆總結
05 使用 Ansys Speos 設計 HUD 解決方案
本視頻有助于幫助大家深入了解 HUD 抬頭顯示的產業現狀及趨勢，使用 Ansys Speos 在 HUD設計方向的流程化設計思路以及 Ansys Speos 與 Ansys Zemax 聯合設計的解決方案。（點擊查看相關閱讀：Ansys SPEOS 光學解決方案）
06 如何使用ASLD 進行激光器設計
本視頻圍繞固體激光器、激光放大器、超短脈沖仿真、關鍵技術、應用領域等方向進行深入研討。
展開 光波導設計“避坑指南”：90%工程師踩過的坑，OAS光學軟件提前規避
什么是光波導設計 的“坑”？
光波導作為 AR/VR 顯示、光通信、光子集成芯片等領域的核心光學組件，正驅動下一代光電產業的技術革新。但從設計到量產的全流程中，跨尺度物理建模、多物理場耦合、光柵參數優化、雜散光抑制等核心難題，讓大多的光學工程師反復陷入設計陷阱。
當前主流光學軟件在光波導場景下存在顯著功能短板，而行業高速擴張的需求與設計工具的滯后性形成尖銳矛盾。
01/光波導高速擴張與技術瓶頸并存
全球光波導市場進入高速增長期，2025 年市場規模突破120 億美元，年復合增長率超18%；中國市場占比近40%，成為全球核心增長極。核心應用場景包括：
? AR/VR 顯示（主力）：消費級 AR 眼鏡滲透率超25%，衍射光波導因輕薄、高透光率、量產友好，成為主流方案，代表產品包括 HoloLens 2、Magic Leap 2及國產AI眼鏡。
? 光通信與光子集成：硅基光波導用于光開關、分束器、波分復用器，支撐數據中心光互連、800G/1.6T光模塊升級。
? 其他領域：醫療內窺鏡（聚合物光波導）、激光雷達、工業檢測、汽車 HUD，市場需求持續擴容。
盡管產業快速發展，仍存在四大技術瓶頸：
? 光效 - 視場 - 輕薄 “不可能三角”：提升視場角（>60°）則光效驟降，追求超薄則工藝難度飆升。
? 全彩化難題：光柵色散導致 RGB 三色光耦合效率不均，色偏、彩虹效應難以根除。
? 量產良率低：納米級光柵對基底平整度、潔凈度要求極高，大尺寸鏡片良率僅50-70%。
? 成本偏高：高端材料與設備依賴進口，消費級 AR 眼鏡價格仍超2000 元，普及受限。
展開 研討會預告 | 如何使用 Ansys Zemax 進行光柵建模免費線上研討會
光柵也稱衍射光柵，是由很多等節距的透光縫隙和不透光的刻線均勻相間排列構成的光電器件，被廣泛應用于各種光譜儀器、大功率激光和光刻等領域。
2023年5月18日，武漢宇熠將通過騰訊會議開展免費的線上研討會——如何使用 Ansys Zemax 進行光柵建模。本次研討會我們將說明如何在 Ansys Zemax 中使用 DLL 建模光柵以及如何設置光柵的相關參數并演示如何設計衍射光波導。
研討會大綱
1.如何使用 DLL 建模光柵；、
2.DLL 參數；
3.Ansys Zemax 光柵參數；
4.案例：衍射光波導；
研討會信息
主辦方：武漢宇熠科技有限公司
時間：2023年5月18日（下午 15：00-16：00）
地點：騰訊會議線上直播
主講人：武漢宇熠光學工程師
費用：免費
報名：掃碼報名（會議號：353 568 576）
為方便各位同行進行深入的交流探討，我們還設置了交流群，有意向的朋友可聯系工作人員申請進群。
掃碼咨詢工作人員
展開 國產AR技術突破 | 自主研發混合光線波前追跡仿真模塊
原文信息
原文標題：“基于混合光線波前追跡法的可視化二維光柵光波導設計研究”
第一作者：葉川東
作者：宋強，覃嘉佳，張善文，王津，劉祥彪，周常河
增強現實（AR）近眼顯示技術中，衍射光波導因輕薄、大視場角等優勢成為核心組件，但核心仿真工具長期被國外壟斷，制約國內產業發展。近日，國內研究團隊成功研發首套基于混合光線波前追跡法的可視化光波導仿真模塊，填補了國產化空白。
二維光柵 AR 波導的分區與光柵結構優化（來自原文）
該模塊創新融合幾何光線追跡與嚴格耦合波分析（RCWA），在宏觀光傳播模擬中保證效率，于微納光柵作用處精準捕獲波前信息，集成 k 域分析、光柵自動布局等核心功能，支持從結構設計到成像系統的跨尺度一體化仿真。
基于此模塊設計的二維衍射光波導，尺寸僅 55mm×40mm×1mm，實現 30° 視場角、15mm×7mm 眼動范圍及 14mm 出瞳距離。出瞳照度均勻性達 51%-86%，視場均勻性 32%-50%，50cycles/mm 空間頻率下 MTF 值均超 0.5，滿足 AR 近眼顯示核心光學要求。
軟件光線傳播分析圖（來自原文）
模塊通過粒子群算法優化耦入光柵參數，將耦出光柵分區設計，有效提升能量分布均勻性。與國外商業軟件對比驗證，關鍵指標高度吻合，彰顯其可靠性與高精度。該模塊現已正式嵌入武漢二元科技有限公司的旗艦產品OAS光學軟件。
該模塊已為國產 AR 光學研發提供自主可控的高效設計工具，助力消費級 AR 設備落地，對推動我國光學技術自主創新與產業升級具有重要意義。
（原文獲取：請您私信聯系工作人員）
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 Zemax Lumerical Speos 聯合實現衍射光波導AR系統設計仿真
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。模擬完成后，雙擊XMP打開輻照度圖，并檢查均勻性。
展開 Zemax Lumerical Speos | 聯合實現衍射光波導AR系統設計仿真
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。
