光波導的案例
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 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
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 VirtualLab：具有連續調制光柵區域的光波導優化
這個例子取自：
? 構建光波導 [用例]
? 光波導布局設計工具 [用例]
配置光柵區域的真實光柵結構，這是應用光柵參數連續或平滑變化之前的必要步驟：
? 如何設置具有真實光柵結構的光波導 [用例]
? 使用真實光柵模擬一維-一維瞳孔擴展器 [用例]
足跡和光柵分析工具用于指定光柵參數變化的所需范圍，并針對特定條件（波長和方向）預先計算相應的瑞利系數。下一步，生成光學設置，其中可以定義平滑參數變化：
? AR/MR 應用光波導的足跡分析 [用例]
? 光波導上的光柵分析和平滑調制的光柵參數 [用例]
注意：
光柵調制是針對各個光柵區域定義的。
足跡和光柵分析
在足跡和光柵分析工具的幫助下，光柵特性（復值）被預先計算并存儲在查找表中，用于選定參數的指定范圍（例如填充因子）。根據可用的效率調制范圍選擇填充因子的初始范圍。更多信息可參見：
光柵分析和在光波導上的平滑調制光柵參數
初始系統的生成
? 具有所謂光柵參數調制功能的光波導設置由足跡和光柵分析工具生成（包括光柵特性）。
? Uniformity Detector 用于定義優化的評價函數。
定義光柵區域的調制函數
? 打開光波導組件中區域的編輯對話框；光柵特性
并且查找表存儲在光柵區域中。
? 編輯光柵參數調制功能，使其定義為可編程功能，光柵參數的預期線性調制由開始和結束位置的值定義（EPE 從左到右邊界，耦出合從上到下）。
展開 
VirtualLab：具有連續調制光柵區域的光波導優化
這個例子取自：
? 構建光波導 [用例]
? 光波導布局設計工具 [用例]
配置光柵區域的真實光柵結構，這是應用光柵參數連續或平滑變化之前的必要步驟：
? 如何設置具有真實光柵結構的光波導 [用例]
? 使用真實光柵模擬一維-一維瞳孔擴展器 [用例]
足跡和光柵分析工具用于指定光柵參數變化的所需范圍，并針對特定條件（波長和方向）預先計算相應的瑞利系數。下一步，生成光學設置，其中可以定義平滑參數變化：
? AR/MR 應用光波導的足跡分析 [用例]
? 光波導上的光柵分析和平滑調制的光柵參數 [用例]
注意：
光柵調制是針對各個光柵區域定義的。
足跡和光柵分析
在足跡和光柵分析工具的幫助下，光柵特性（復值）被預先計算并存儲在查找表中，用于選定參數的指定范圍（例如填充因子）。根據可用的效率調制范圍選擇填充因子的初始范圍。更多信息可參見：
光柵分析和在光波導上的平滑調制光柵參數
初始系統的生成
? 具有所謂光柵參數調制功能的光波導設置由足跡和光柵分析工具生成（包括光柵特性）。
? Uniformity Detector 用于定義優化的評價函數。
定義光柵區域的調制函數
? 打開光波導組件中區域的編輯對話框；光柵特性
并且查找表存儲在光柵區域中。
? 編輯光柵參數調制功能，使其定義為可編程功能，光柵參數的預期線性調制由開始和結束位置的值定義（EPE 從左到右邊界，耦出合從上到下）。
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 XR｜DigiLens宣布與三菱化學合作，推出高性能低成本塑料光波導
CINNO Research產業資訊，致力于擴展現實(XR)用全息光波導顯示技術研發的DigiLens公司，7月15日宣布與全球化學工業領導者三菱化學公司（“MCC”）建立深化合作伙伴關系，旨在面向擴展現實（XR）應用市場推出第一款價格友好、性能優越的塑料光波導。
根據Digilens官網顯示，“DigiLens擁有專有的光聚合物和全息接觸復制工藝，這些技術是目前唯一能夠基于塑料基板制造光波導基顯示器的方法，”三菱化學控股的戰略投資公司Diamond Edge Ventures總裁Patrick Suel說道，“我很高興能夠看到，公司對DigiLens的投資以及與 MCC 的合作，推動創建世界上唯一一家無需納米壓印光刻（NIL imprinting）的塑料光波導技術供應商。現在，智能眼鏡OEM將可以通過DigiLens的協議許可，合作生產塑料光波導產品。”
DigiLens和MCC通過團隊合作，共同研發出一種塑料光波導技術方案。這種塑料光波導的性能幾乎與玻璃相同，但是大大降低了光波導的重量和長期制造成本。除此以外，它還可以提高用戶安全性，畢竟終端產品內的光波導器件離眼睛很近。這種技術方案就有助于DigiLens通過協議許可的方式，向客戶提供一種成本和性能都非常有市場化優勢的塑料光波導方案。另外，該技術方案也有助于推動XR市場生態系統慢慢轉向輕薄高性能。
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 VirtualLab：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 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 【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
↓↓↓
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 
活動報名 | 共探微納光學未來 — OAS光學軟件光波導+超表面解決方案交流會
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光波導+超表面解決方案線下活動
當下，AR/VR、光通信、超透鏡、微納成像等領域飛速發展，光波導作為 AR 顯示核心、超表面作為光學系統小型化關鍵，設計與仿真難度陡增。
2026年5月15日，OAS 光學軟件光波導仿真 + 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/超表面仿真設計核心技能。誠邀光學領域各位專家、老師、學者齊聚，零距離體驗國產自研光學仿真的硬核實力！
01/行業痛點，一鍵破解
當前光波導與超表面設計面臨多重困境：
?模型搭建復雜、參數優化繁瑣，傳統工具效率低、精度不足；
?跨尺度仿真難兼顧，幾何光學到波動光學銜接斷層；
?國產替代需求迫切，自主可控的專業仿真工具稀缺。
02/軟件強效助力光波導/超表面仿真
（軟件主界面）
OAS光學軟件軟件能夠在3D空間中通過序列和非序列光線追跡技術，精確模擬光學系統的性能表現。
軟件集成幾何光學到波動光學的跨尺度仿真，打通宏觀光路與微觀光柵的仿真壁壘，無需多軟件切換，實現毫米級到納米級全尺度無縫仿真。
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 [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。
展開 VirtualLab：AR和MR光波導器件耦合光柵的優化
在上周的通訊中，我們強調了分析基于光波導的增強和混合現實(AR & MR)設備的一些挑戰。我們將繼續深入討論這個話題，看看光波導系統耦合光柵的優化。由于它們的尺寸小和自由參數很多的特點，這些任務眾所周知地極具挑戰性。
快速物理光學軟件VirtualLab Fusion通過其波導工具箱提供了一系列方便的工具，可在設計過程中幫助光學工程師。例如用于光柵結構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算法(FMM)，以及參數優化方法和一些針對光波導的系統設計方法。
在下面的例子中，您可以看到這些工具中的一些發揮作用：
連續調制光柵區域光波導的優化
本例演示了如何通過EPE和外耦合器區域連續變化的光柵占空因子來優化光波導，以實現眼動范圍內足夠的橫向均勻性。
單入射方向光波導耦合光柵的優化
我們演示了針對特定入射方向優化矩形光柵的設計流程，以獲得特定衍射級次的最大效率。
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