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在 OpticStudio 中使用 RCWA 工具為增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）系統(tǒng)設(shè)置出瞳擴(kuò)展器（EPE）的示例中，首先解釋了 k空間中光柵的規(guī)劃，并詳細(xì)討論了設(shè)置每個(gè)光柵的步驟。

介紹

本文是四篇文章系列中的第三篇，詳細(xì)展示了封裝圖的檢查步驟以及出瞳擴(kuò)展器（EPE）系統(tǒng)圖像的模擬方法。最后，我們還探討了EPE系統(tǒng)潛在的改進(jìn)方案及其他值得考慮的因素。您想要了解更多詳細(xì)信息的可以查看其他部分的鏈接。

如何在 OpticStudio 中使用衍射光學(xué)器件模擬增強(qiáng)現(xiàn)實(shí) （AR） 系統(tǒng)的出瞳擴(kuò)展器 （EPE）：第 1 部分

如何在 OpticStudio 中使用衍射光學(xué)器件模擬增強(qiáng)現(xiàn)實(shí) （AR） 系統(tǒng)的出瞳擴(kuò)展器 （EPE）：第 2 部分

檢查占地面積

在設(shè)計(jì) EPE 時(shí)，調(diào)查每個(gè)磁場(chǎng)的足跡是有用的。為了檢查封裝直徑，需要添加一個(gè)探測(cè)器，結(jié)果可以在 Shaded Model 中觀察到。相關(guān)示例已保存在附件 “step4_check footprint.zar” 中。

在檢查此文件時(shí)，請(qǐng)注意以下要點(diǎn)：

1.檢測(cè)器的Color和Scale參數(shù)已從默認(rèn)值0進(jìn)行了修改。這些調(diào)整主要是為了在Shaded Model中切換檢測(cè)器的外觀樣式，而不涉及任何物理效果的改變。

2.為了確保在著色模型中能夠清晰地觀察到探測(cè)器，我們還需要調(diào)整所有光柵和波導(dǎo)物體的不透明度設(shè)置，具體如圖1所示。在此示例中，波導(dǎo)的不透明度被設(shè)置為10%，而光柵的不透明度被設(shè)置為30%，請(qǐng)注意，這些設(shè)置完全可以根據(jù)用戶的實(shí)際需求進(jìn)行調(diào)整。

圖 1 通過(guò)在 Object Properties 中將 Opacity 設(shè)置為小于 100%，對(duì)象可以在 Shaded Model 中透明。

3. 然后可以通過(guò)打開(kāi) Shaded Model 來(lái)觀察封裝。在 Shaded Model 中，它設(shè)置為顯示對(duì)象的隱藏線，并在最后一次分析運(yùn)行時(shí)為檢測(cè)器的像素著色，具體效果如圖2所示，最終結(jié)果如圖 3 所示。

圖 2 在“著色模型”中，顯示對(duì)象的隱藏線，并通過(guò)最后分析為檢測(cè)器的像素著色。

圖 3 添加了一個(gè)檢測(cè)器，用于檢測(cè)每個(gè)磁場(chǎng)的足跡。

圖像模擬

為了模擬人眼觀察圖像時(shí)的視覺(jué)效果，我們需要一個(gè)虛擬圖像源。同時(shí)，在出瞳位置，我們需要設(shè)置一個(gè)理想的鏡頭系統(tǒng)來(lái)模擬眼睛的光學(xué)特性，來(lái)檢查圖像的呈現(xiàn)效果。在隨附的 “step5_image simulation.zar” 中演示了一個(gè)示例。

圖 4 為了模擬使用此波導(dǎo)系統(tǒng)的圖像外觀，添加了 6 個(gè)對(duì)象。前 3 個(gè)對(duì)象（#10 到 #12）是一個(gè)理想的投影系統(tǒng)，它在圖像源上準(zhǔn)直點(diǎn)源并將光束發(fā)送到耦合光柵。最后 3 個(gè)物體（#13 到 #15）是一個(gè)成像系統(tǒng)，它將外耦合光束聚焦到其焦平面上的探測(cè)器。

檢查此文件時(shí)需要了解的要點(diǎn)：

1. 對(duì)象 #10 到 #12 一起代表一個(gè)理想的投影系統(tǒng)，它將圖像源投影到無(wú)限遠(yuǎn)（無(wú)焦）。投影系統(tǒng)的出瞳位于耦合光柵上，這是 EPE 系統(tǒng)的入射瞳孔。

2. 對(duì)象 10 是使用帶有 Lambertian_Overfill.DLL 的 Source DLL 對(duì)象構(gòu)建的矩形 Lambertian 光源。參數(shù) Target Diameter 和 Target Distance 被指定給耦合內(nèi)光柵。這使得模擬效率很高，因?yàn)橹挥心軌驌糁旭詈瞎鈻诺墓饩€才會(huì)發(fā)射。

3. 對(duì)象 11 是一個(gè) Slide 對(duì)象，可以使用位圖作為蒙版。它的位置應(yīng)與對(duì)象 10 略微偏移。與 對(duì)象 10 結(jié)合使用，可以構(gòu)建朗伯圖像源。在此示例中，位圖是要測(cè)試的 QR 碼。

4. 對(duì)象 12 是一個(gè)近軸鏡頭，其焦距等于對(duì)象 12 和對(duì)象 10 和 11 之間的距離。換句話說(shuō)，圖像源正好位于這個(gè)理想鏡頭的焦平面上。

5. 圖像源為矩形，寬度為 5 mm，系統(tǒng)焦距為 10 mm。這意味著該 AR 系統(tǒng)在 X 和 Y 方向上的 FOV 為 ±14 度，在對(duì)角線上為 20 度。

6. 對(duì)象 #13 到 #15 代表模擬人眼觀察的理想成像系統(tǒng)。對(duì)象 13 是一個(gè)近軸透鏡，可以將無(wú)限共軛圖像聚焦到其焦平面。對(duì)象 15 是焦平面上的探測(cè)器，用于檢測(cè)近軸透鏡聚焦的圖像。

7. 對(duì)象 14 是一個(gè)可以吸收光的環(huán)狀物。使用此對(duì)象有兩個(gè)原因。第一個(gè)是因?yàn)槲矬w 13，即近軸透鏡，是矩形的，而人類的瞳孔是圓形的。另一個(gè)原因是外徑較大的環(huán)形可以阻擋不通過(guò)近軸透鏡而是直接打在探測(cè)器上的光線。環(huán)的內(nèi)半徑為 3 毫米，代表人眼的瞳孔大小為 6 毫米。

8. 請(qǐng)注意，各個(gè)對(duì)象之間不能發(fā)生重疊。因此，在對(duì)象 13 和 14 的Z位置處都設(shè)置了一個(gè)較小的值。這樣，光線會(huì)首先擊中出瞳探測(cè)器（對(duì)象 8 ），然后經(jīng)過(guò)近軸透鏡（對(duì)象 13 ），最后被環(huán)狀物體（對(duì)象 14 ）所過(guò)濾。

討論

此處的示例僅用于演示。本文不詳細(xì)考慮以下幾點(diǎn)，但這些方面或許能為設(shè)計(jì)此類系統(tǒng)的工程師提供靈感與啟發(fā)。

1. 車削格柵的位置和形狀可以重新布置，以充分利用空間。如圖 5 所示，車削光柵可以盡可能靠近耦合光柵。所需的最小形狀可以根據(jù)耦合光柵的尺寸和系統(tǒng)所需的 FOV 來(lái)確定。從 FOV 中，很容易知道由耦合式光柵的光傳播形成的“扇角”。

2. 為了提高出瞳處的均勻性，可以將光柵分成幾個(gè)具有不同光柵參數(shù)的區(qū)域。

3. 在圖像模擬的演示中，眼瞳僅放在外耦合光柵的中心。檢查當(dāng)眼瞳孔移動(dòng)時(shí)眼睛如何接收?qǐng)D像也很重要。當(dāng)瞳孔較小時(shí)檢查圖像質(zhì)量也很重要。

4. 在本演示中，投影系統(tǒng)是使用近軸透鏡理想化的，而近軸透鏡實(shí)際上是單獨(dú)設(shè)計(jì)的透鏡系統(tǒng)。使用真實(shí)鏡頭會(huì)引入像差，但也可以為系統(tǒng)帶來(lái)一些靈活性。例如，通過(guò)適當(dāng)?shù)臐u暈設(shè)計(jì)，可以控制不同視場(chǎng)點(diǎn)的 F/# 以補(bǔ)償波導(dǎo)和光柵的性能。

圖 5 車削光柵形狀的規(guī)劃主要需要考慮第一耦合光柵的尺寸和系統(tǒng)的視場(chǎng)角。系統(tǒng)使用的 FOV 決定了 “Fan angle”（扇形角度）。

上一篇文章：如何在 OpticStudio 中使用衍射光學(xué)器件模擬增強(qiáng)現(xiàn)實(shí) （AR） 系統(tǒng)的出瞳擴(kuò)展器 （EPE）：第 1 部分

如何在 OpticStudio 中使用衍射光學(xué)器件模擬增強(qiáng)現(xiàn)實(shí) （AR） 系統(tǒng)的出瞳擴(kuò)展器 （EPE）：第 2 部分

在第四部分中我們將演示如何檢查封裝圖、模擬出瞳擴(kuò)展器系統(tǒng)的圖像、討論 EPE 系統(tǒng)的可能改進(jìn)和其他考慮因素，請(qǐng)大家持續(xù)關(guān)注。