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摘要 為了突破增強(qiáng)和混合現(xiàn)實(shí)（AR/MR）領(lǐng)域的限制，對更復(fù)雜的光波導(dǎo)系統(tǒng)的需求不斷增加。VirtualLab Fusion提供了一套工具，可用于此類復(fù)雜系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和建模。為了演示VirtualLab Fusion的功能，本文介紹了一個(gè)具有2D出瞳擴(kuò)展器和耦出器中的傾斜光柵的示例性光波導(dǎo)系統(tǒng)。此外，通過人眼模型評估了點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)（PSF）和調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF）。

摘要 為了突破增強(qiáng)和混合現(xiàn)實(shí)（AR/MR）領(lǐng)域的限制，對更復(fù)雜的光波導(dǎo)系統(tǒng)的需求不斷增加。VirtualLab Fusion提供了一套工具，可用于此類復(fù)雜系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和建模。為了演示VirtualLab Fusion的功能，本文介紹了一個(gè)具有2D出瞳擴(kuò)展器和耦出器中的傾斜光柵的示例性光波導(dǎo)系統(tǒng)。此外，通過人眼模型評估了點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)（PSF）和調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF）。

在像差方面，彗差會(huì)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(tǒng)具有相對較小的光瞳尺寸，因此在此類系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上，一般會(huì)認(rèn)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(shù)的演進(jìn)，光學(xué)設(shè)計(jì)者得以摒除許多以往的限制條件。同時(shí)，OpticStudio具有優(yōu)越的運(yùn)算能力，可以進(jìn)行規(guī)模較大的系統(tǒng)和更多影像參數(shù)的模擬。

這種方法的缺點(diǎn)是設(shè)計(jì)人員可能無法檢查整個(gè)系統(tǒng)的性能。例如，沒有辦法考慮所有繞射階數(shù)來檢查點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)（PSF）。類似地，儘管可以追蹤“非有效”的順序光線，但沒有計(jì)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(shù)使可能的創(chuàng)新光學(xué)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)，具有大規(guī)模生產(chǎn)的模塊很多好處。鏡頭可以設(shè)計(jì)成具有復(fù)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(xué)元件的可能性最大化變得簡單。在 OpticStudio 中創(chuàng)建的光學(xué)設(shè)計(jì)可以無縫轉(zhuǎn)換為原始 CAD 元件，並且所有光學(xué)資訊都完好無損。

光學(xué)相干斷層掃描（OCT）是一種斷層成像系統(tǒng)，可以根據(jù)從圖像反射或散射的光生成橫截面或三維圖像。 醫(yī)用組織成像是該系統(tǒng)的最典型應(yīng)用，因?yàn)镺CT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(tǒng)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(yīng)的深度。

我們通過建立一個(gè)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(shè)備能夠在32°×18°的視場下引導(dǎo)光傳輸。 建模任務(wù) 光波導(dǎo)的工作原理 光波導(dǎo)使用內(nèi)部全反射(TIR)來“捕獲”光波導(dǎo)板內(nèi)的光。為此，采用光柵耦合入射和出射光，并確保滿足內(nèi)部全反射條件。

我們通過建立一個(gè)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(shè)備能夠在32°×18°的視場下引導(dǎo)光傳輸。 建模任務(wù) 光波導(dǎo)的工作原理 光波導(dǎo)使用內(nèi)部全反射(TIR)來“捕獲”光波導(dǎo)板內(nèi)的光。為此，采用光柵耦合入射和出射光，并確保滿足內(nèi)部全反射條件。

我們通過建立一個(gè)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(shè)備能夠在32°×18°的視場下引導(dǎo)光傳輸。 建模任務(wù) 光波導(dǎo)的工作原理 光波導(dǎo)使用內(nèi)部全反射(TIR)來“捕獲”光波導(dǎo)板內(nèi)的光。為此，采用光柵耦合入射和出射光，并確保滿足內(nèi)部全反射條件。

二維光柵具有六邊形周期結(jié)構(gòu)，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(dǎo)中移動(dòng)以擴(kuò)大出瞳，我們設(shè)計(jì)了光柵，讓光束傳播方向在k空間中像六邊形一樣移動(dòng)。這允許光束傳播并分布到波導(dǎo)中的大區(qū)域，如下圖右圖所示。 第 1 步：構(gòu)建參數(shù)化光柵模型光柵模型首先在 Lumerical 中構(gòu)建并保存在 .fsp 文件中。我們將需要兩個(gè)光柵模型。

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

我們通過建立一個(gè)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(shè)備能夠在32°×18°的視場下引導(dǎo)光傳輸。

二維光柵具有六邊形周期結(jié)構(gòu)，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(dǎo)中移動(dòng)以擴(kuò)大出瞳，我們設(shè)計(jì)了光柵，讓光束傳播方向在k空間中像六邊形一樣移動(dòng)。這允許光束傳播并分布到波導(dǎo)中的大區(qū)域，如下圖右圖所示。 第 1 步：構(gòu)建參數(shù)化光柵模型光柵模型首先在 Lumerical 中構(gòu)建并保存在 .fsp 文件中。我們將需要兩個(gè)光柵模型。

然後可以看到系統(tǒng)自動(dòng)加入兩個(gè)Coordinate Break以及相關(guān)設(shè)定，如下。最後在確保把Chief的長度設(shè)定到出瞳的Radius上。便可以看到系統(tǒng)現(xiàn)在如下。打開評價(jià)函數(shù)，重新輸入以下數(shù)值驗(yàn)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(jié)果一致。

它考慮了許多其他模型沒有考慮到的現(xiàn)實(shí)因素，如偏置瞳孔、彎曲的視網(wǎng)膜表面、向內(nèi)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(gè)眼睛模型后，我們將使用它來設(shè)計(jì)一個(gè)自由形式的漸進(jìn)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(shù)據(jù)導(dǎo)入 投影鏡頭導(dǎo)入：在Speos中調(diào)用光學(xué)設(shè)計(jì)交換組件，加載Zemax導(dǎo)出的.odx文件，匹配坐標(biāo)軸系統(tǒng)，一鍵生成三維鏡頭模型，可直接查看鏡頭原始設(shè)計(jì)參數(shù)且不可篡改；圖3：Speos光學(xué)設(shè)計(jì)導(dǎo)入界面 光柵模型導(dǎo)入：加載Lumerical輸出的.json光柵參數(shù)文件與.sop插件文件，為光波導(dǎo)耦合面賦予亞波長結(jié)構(gòu)表面屬性，同時(shí)配置紋理貼圖與尺寸參數(shù)

物方的光線反向延長，即可找到入瞳的邊緣——這會(huì)在第一甚至第二光學(xué)表面后成一個(gè)虛像。入瞳是從物方看到的孔徑的像。 圖2:系統(tǒng)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(diǎn)射出的光線的限制。

具有這種能力的一個(gè)這樣的設(shè)備是一對複眼空間光學(xué)積分器陣列。何謂透鏡陣列?透鏡陣列是將單個(gè)光學(xué)元件組裝成單個(gè)光學(xué)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(zhuǎn)換為均勻輻照度分佈。使用透鏡陣列的數(shù)位投影系統(tǒng)通常與具有提供半準(zhǔn)直入射光的拋物面反射器的燈組件結(jié)合使用。目前，它們主要用於 LCD 數(shù)位元元投影光引擎，以向空間光調(diào)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(kuò)展（EPE）系統(tǒng)優(yōu)化和公差分析的仿真方法。 在這個(gè)工作流程中，我們將使用3個(gè)軟件進(jìn)行不同的工作 ，以實(shí)現(xiàn)優(yōu)化系統(tǒng)的大目標(biāo)。首先，我們使用 Lumerical 構(gòu)建光柵模型并使用 RCWA 進(jìn)行仿真。其次，我們在 OpticStudio 中構(gòu)建完整的出瞳擴(kuò)展系統(tǒng)，并動(dòng)態(tài)鏈接到 Lumerical 以集成精確的光柵模型。