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摘要 為了突破增強和混合現實（AR/MR）領域的限制，對更復雜的光波導系統的需求不斷增加。VirtualLab Fusion提供了一套工具，可用于此類復雜系統的設計和建模。為了演示VirtualLab Fusion的功能，本文介紹了一個具有2D出瞳擴展器和耦出器中的傾斜光柵的示例性光波導系統。此外，通過人眼模型評估了點擴散函數（PSF）和調制傳遞函數（MTF）。

摘要 為了突破增強和混合現實（AR/MR）領域的限制，對更復雜的光波導系統的需求不斷增加。VirtualLab Fusion提供了一套工具，可用于此類復雜系統的設計和建模。為了演示VirtualLab Fusion的功能，本文介紹了一個具有2D出瞳擴展器和耦出器中的傾斜光柵的示例性光波導系統。此外，通過人眼模型評估了點擴散函數（PSF）和調制傳遞函數（MTF）。

在像差方面，彗差會隨視場角的變化而線性增加，而像散則是呈二次方增加。但人眼系統具有相對較小的光瞳尺寸，因此在此類系統的設計上，一般會認為球差和彗差並不十分重要。同理，其餘的像差在此也可先行忽略。隨著自由曲面製程技術的演進，光學設計者得以摒除許多以往的限制條件。同時，OpticStudio具有優越的運算能力，可以進行規模較大的系統和更多影像參數的模擬。

這種方法的缺點是設計人員可能無法檢查整個系統的性能。例如，沒有辦法考慮所有繞射階數來檢查點擴展函數（PSF）。類似地，儘管可以追蹤“非有效”的順序光線，但沒有計算出繞射效率，因此沒有辦法知道雜散光路中的功率比。

射出成型技術使可能的創新光學機構設計技術，具有大規模生產的模塊很多好處。鏡頭可以設計成具有復雜的邊緣特徵，使它們能夠堆疊，從而簡化組裝並消除對齊的需要。Zemax 工具使注塑光學元件的可能性最大化變得簡單。在 OpticStudio 中創建的光學設計可以無縫轉換為原始 CAD 元件，並且所有光學資訊都完好無損。

光學相干斷層掃描（OCT）是一種斷層成像系統，可以根據從圖像反射或散射的光生成橫截面或三維圖像。 醫用組織成像是該系統的最典型應用，因為OCT安全且具有高分辨率，儘管光可以穿透的深度限制在毫米量級。OCT測量系統依賴於邁克森干涉儀 (Michelson interferometer)，使得從參考物反射的光與樣品之間的相干性表明散射光源自樣品中與參考鏡的位置相對應的深度。

我們通過建立一個簡單的“HoloLens 1”型（1D-1D出瞳放大器）布局模型來演示這種能力，該設備能夠在32°×18°的視場下引導光傳輸。 建模任務 光波導的工作原理 光波導使用內部全反射(TIR)來“捕獲”光波導板內的光。為此，采用光柵耦合入射和出射光，并確保滿足內部全反射條件。

我們通過建立一個簡單的“HoloLens 1”型（1D-1D出瞳放大器）布局模型來演示這種能力，該設備能夠在32°×18°的視場下引導光傳輸。 建模任務 光波導的工作原理 光波導使用內部全反射(TIR)來“捕獲”光波導板內的光。為此，采用光柵耦合入射和出射光，并確保滿足內部全反射條件。

我們通過建立一個簡單的“HoloLens 1”型（1D-1D出瞳放大器）布局模型來演示這種能力，該設備能夠在32°×18°的視場下引導光傳輸。 建模任務 光波導的工作原理 光波導使用內部全反射(TIR)來“捕獲”光波導板內的光。為此，采用光柵耦合入射和出射光，并確保滿足內部全反射條件。

二維光柵具有六邊形周期結構，光束在k空間中傳播，如下圖所示。如下圖所示，為了讓光束在二維波導中移動以擴大出瞳，我們設計了光柵，讓光束傳播方向在k空間中像六邊形一樣移動。這允許光束傳播并分布到波導中的大區域，如下圖右圖所示。 第 1 步：構建參數化光柵模型光柵模型首先在 Lumerical 中構建并保存在 .fsp 文件中。我們將需要兩個光柵模型。

下面我們展示了兩個以光波導性能評估為中心的示例：一個具有2D瞳孔擴展的NED（“near to exe”）設備和人眼模型，用于計算MTF和PSF，另一個是關于橫向均勻性的表征。 具有二維光瞳擴展的復雜光波導系統 提出了一種復合光波導系統，包括二維周期出瞳擴展器和耦出器中的傾斜光柵。

我們通過建立一個簡單的“HoloLens 1”型（1D-1D出瞳放大器）布局模型來演示這種能力，該設備能夠在32°×18°的視場下引導光傳輸。

二維光柵具有六邊形周期結構，光束在k空間中傳播，如下圖所示。如下圖所示，為了讓光束在二維波導中移動以擴大出瞳，我們設計了光柵，讓光束傳播方向在k空間中像六邊形一樣移動。這允許光束傳播并分布到波導中的大區域，如下圖右圖所示。 第 1 步：構建參數化光柵模型光柵模型首先在 Lumerical 中構建并保存在 .fsp 文件中。我們將需要兩個光柵模型。

然後可以看到系統自動加入兩個Coordinate Break以及相關設定，如下。最後在確保把Chief的長度設定到出瞳的Radius上。便可以看到系統現在如下。打開評價函數，重新輸入以下數值驗證。可以看到目前的最大視場 (Hy=1) 邊緣光線 (Py=-1) 的波前差等於3.555676，跟OPD Fan中的結果一致。

它考慮了許多其他模型沒有考慮到的現實因素，如偏置瞳孔、彎曲的視網膜表面、向內的眼球和前后半部分具有兩種不同梯度折射率剖面的晶狀體。 在OpticStudio中成功生成這個眼睛模型后，我們將使用它來設計一個自由形式的漸進眼鏡鏡片。 人眼模型 我們將從建立人眼模型開始。你可以使用附件中的“Human_Eye_Model.ZMX”，以跳過手工輸入所有的表面。

4.1 多軟件模型數據導入 投影鏡頭導入：在Speos中調用光學設計交換組件，加載Zemax導出的.odx文件，匹配坐標軸系統，一鍵生成三維鏡頭模型，可直接查看鏡頭原始設計參數且不可篡改；圖3：Speos光學設計導入界面 光柵模型導入：加載Lumerical輸出的.json光柵參數文件與.sop插件文件，為光波導耦合面賦予亞波長結構表面屬性，同時配置紋理貼圖與尺寸參數

物方的光線反向延長，即可找到入瞳的邊緣——這會在第一甚至第二光學表面后成一個虛像。入瞳是從物方看到的孔徑的像。 圖2:系統中間孔徑的入瞳。 利用入瞳，不僅可以確定最大孔徑角，還可以正確地描述對從物面中的其他點射出的光線的限制。

具有這種能力的一個這樣的設備是一對複眼空間光學積分器陣列。何謂透鏡陣列?透鏡陣列是將單個光學元件組裝成單個光學元件的二維陣列。它用於將光在圖像平面上從非均勻分佈空間轉換為均勻輻照度分佈。使用透鏡陣列的數位投影系統通常與具有提供半準直入射光的拋物面反射器的燈組件結合使用。目前，它們主要用於 LCD 數位元元投影光引擎，以向空間光調製器照明平面提供均勻照明。

簡介 本文提出并演示了一種以二維光柵耦出的光瞳擴展（EPE）系統優化和公差分析的仿真方法。 在這個工作流程中，我們將使用3個軟件進行不同的工作 ，以實現優化系統的大目標。首先，我們使用 Lumerical 構建光柵模型并使用 RCWA 進行仿真。其次，我們在 OpticStudio 中構建完整的出瞳擴展系統，并動態鏈接到 Lumerical 以集成精確的光柵模型。