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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

本文提供了多個(gè)實(shí)用的提示和技巧，旨在確保機(jī)械 CAD 程序與 OpticStudio 之間能夠順暢地進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。作為4篇系列文章的第2部分，本文詳細(xì)介紹了一個(gè)包含波導(dǎo)和3個(gè)光柵的出瞳擴(kuò)展器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。想要了解更多信息的可以查看本系列文章中的第一部分：Ansys Zemax | 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

波導(dǎo)和第一（耦合內(nèi)）光柵

如圖 1 所示，第一步設(shè)置波導(dǎo)和第一個(gè)光柵。用戶可以在這個(gè)階段打開(kāi)附件的 step1_waveguide_and_first_grating.zar 來(lái)檢查系統(tǒng)。

圖 1 波導(dǎo)和第一個(gè)光柵

檢查此文件時(shí)需要了解的要點(diǎn)：

1. 波導(dǎo)由矩形體積 （Object 1） 構(gòu)建。

2. 波導(dǎo)的光柵由衍射光柵對(duì)象（對(duì)象 2）構(gòu)建。如圖 2 所示，在 Object Property 設(shè)置中，衍射光柵使用衍射 DLL“srg_trapezoid_RCWA.dll”進(jìn)行設(shè)置。這將充當(dāng)二進(jìn)制光柵，其形狀如圖 3 所示。DLL 使用表面浮雕光柵的 RCWA 方法計(jì)算衍射效率。想要了解關(guān)于 DLL 詳細(xì)信息的，可以參考此篇文章：利用RCWA方法模擬表面浮雕光柵的衍射效率。

圖 2 RCWA DLL 用于模擬該系統(tǒng)中的光柵。

圖 3 用于 RCWA 的光柵形狀。

3. 衍射光柵是由與矩形體相同的材料所制造的。而且，衍射光柵完全嵌入在波導(dǎo)的內(nèi)部，具體如圖4所示。衍射光柵的面 1 與矩形體積的面 1 重疊。請(qǐng)注意，假定光柵結(jié)構(gòu)位于衍射光柵的面 1 上，而不是對(duì)象的整個(gè)體積上。在光線追蹤模型中，認(rèn)為衍射表面幾乎沒(méi)有厚度。真正的微觀結(jié)構(gòu)僅在 RCWA 磁芯中考慮，RCWA 磁芯計(jì)算衍射光線的效率和偏振。

圖 4 對(duì)象衍射光柵在矩形體積內(nèi)部定義，其面 1 與矩形體的面 1 重疊。

4.在Non-Sequential Component Editor（非順序組件編輯器）中，定義衍射光柵（Diffraction Grating）對(duì)象時(shí)，需要確保其位于矩形體（Rectangular Volume）之后。這樣設(shè)置可以確保衍射光柵的屬性具有更高的優(yōu)先級(jí)，這是遵循嵌套規(guī)則的結(jié)果?？梢月?lián)系工作人員了解更多相關(guān)詳細(xì)信息。

5. RCWA DLL 的參數(shù) “Only these orders” 設(shè)置為 8，這意味著將僅跟蹤訂單 T-1（傳輸中的訂單 -1）。這是提高系統(tǒng)仿真速度的技巧。當(dāng)光線撞擊光柵時(shí)，它應(yīng)該分成幾個(gè)衍射級(jí)。但是，在此系統(tǒng)中，只需要 T-1 訂單。想要了解有關(guān)參數(shù)更多詳細(xì)信息的，可以參考此篇文章：利用RCWA方法模擬表面浮雕光柵的衍射效率。

6. 矩形體積的 Face 0（Side Face）設(shè)置為 Absorbing，這使得光線在波導(dǎo)的邊緣被吸收，如圖 5 所示，這也使仿真更加高效。

7. 源橢圓發(fā)射準(zhǔn)直光束，該光束通常入射到第一個(gè)光柵上。這是表示來(lái)自光引擎中圖像源中心場(chǎng)的光的測(cè)試光束。應(yīng)該有一個(gè)光引擎，在進(jìn)入第一個(gè)光柵之前將圖像源（例如 DMD、LCoS、LCD 等）轉(zhuǎn)換為無(wú)焦光源。

圖 5 矩形體積的 Face 0 （Side Face） 設(shè)置為 Absorbing。

第二（車削）格柵

在第二步中，我們需要添加一個(gè)車削格柵。該光柵沿一個(gè)方向擴(kuò)展入射光束，并將其傳播方向旋轉(zhuǎn) 90 度。完成此步驟后，系統(tǒng)文件將被保存為“step2_turning grating.zar”。

圖 6 添加到系統(tǒng)中的旋轉(zhuǎn)光柵。

檢查此文件時(shí)需要了解的要點(diǎn):

1.光柵是使用具有兩個(gè)父對(duì)象的布爾原生(Object 6)構(gòu)建的。衍射光柵對(duì)象(對(duì)象5)提供衍射效果，而凸出對(duì)象(對(duì)象 4)提供所需的形狀。這就是用戶如何制作具有任何所需形狀的光柵的方法。

2.凸出的物體讀取位于“\Documents\Zemax\Objects\Apertures”中的 UDA 文件，并凸出 2D 光圈以形成 3D 體積。UDA 文件的定義如圖7所示。

注意: 現(xiàn)在我們已經(jīng)提供了一個(gè)便捷的用戶定義對(duì)象，用于設(shè)置多邊形光柵。關(guān)于該對(duì)象的詳細(xì)使用方法，您可以參考本系列文章即將發(fā)布的第4部分。請(qǐng)大家持續(xù)關(guān)注，以便及時(shí)了解更多信息。

圖 7 系統(tǒng)中定義的 UDA。

3. 對(duì)象 5 中衍射 DLL 的參數(shù)“旋轉(zhuǎn)光柵”設(shè)置為 45 度。這意味著光柵線條是從左上角斜向?qū)R至右下角，同時(shí)光柵的周期性變化是從左下角延伸至右上角。

4. 如圖8所示，光線在車削光柵中會(huì)發(fā)生兩種衍射。需要注意的是，在對(duì)象5的DLL設(shè)置中，起始階數(shù)（Start Order）和終止階數(shù)（Stop Order）參數(shù)分別被設(shè)定為-1和+1，這意味著衍射階數(shù)為-2和+2或更高的光線將被忽略，不會(huì)參與衍射過(guò)程。

5. 在“System Explorer > Non-Sequential”中，將 Maximum Intersections Per Ray、Maximum Segments Per Ray 這 3 個(gè)參數(shù)修改為較大的數(shù)字，Minimum Relative Ray Intensity 修改為較小的數(shù)字，以便光線追蹤不會(huì)在旋轉(zhuǎn)光柵中停止。如果不進(jìn)行這些修改，當(dāng)光線在追蹤過(guò)程中分裂時(shí)，可能會(huì)因能量降至最低限制以下而錯(cuò)誤地終止追蹤。

圖 8 光線在第二個(gè)（旋轉(zhuǎn)）光柵內(nèi)部進(jìn)行衍射有兩種主要方式。

第三（外耦合）光柵和探測(cè)器

最后一步是添加第三個(gè)光柵以及一個(gè)檢測(cè)器，用以捕捉外耦合光線。當(dāng)光線觸及第三個(gè)光柵時(shí)，它們會(huì)發(fā)生分裂：一部分能量會(huì)躍遷至衍射級(jí)+1并逸出波導(dǎo)，而另一部分能量則維持原方向前行，即保持在零階狀態(tài)。此步驟的系統(tǒng)文件保存為 “step3_out-coupling grating.zar”。

圖 9 帶有 3 個(gè)光柵的出瞳擴(kuò)展器。

檢查此文件時(shí)需要了解的要點(diǎn)：

1.為了滿足矩形光柵的需求，我們采用了帶有“DiffractionGrating.DLL”的用戶自定義對(duì)象（對(duì)象7）來(lái)替代標(biāo)準(zhǔn)的衍射光柵對(duì)象。此外，為了適應(yīng)更復(fù)雜且多變的形狀需求，我們也支持用戶自行編寫(xiě)專屬的用戶定義對(duì)象。

2. 探測(cè)器（對(duì)象8）的主要作用是檢查能量在出瞳（即眼框位置）的分布情況。設(shè)計(jì)此類系統(tǒng)的關(guān)鍵目標(biāo)之一就是確保能量能夠均勻分布在瞳孔空間內(nèi)。請(qǐng)注意，探測(cè)器距離波導(dǎo) 15 mm。該距離可以被視為系統(tǒng)的眼距。

3. 這個(gè)源橢圓代表來(lái)自該系統(tǒng)中心場(chǎng)的光。要模擬來(lái)自其他場(chǎng)的光線，需要修改 Source Ellipse （源橢圓），如下所示。例如，您可以更改其參數(shù)為以下數(shù)值，結(jié)果將如圖10所示。

? Z 位置 = 0

? 源>對(duì)象屬性 > Pre-Propagation = -10

? 更改 Tilt About X 和 Tilt About Y 以獲得所需的角度。例如，當(dāng)光線以相對(duì)于X軸10度的傾斜角入射時(shí)，其能量分布如圖11所示。

圖 10 從中心磁場(chǎng)開(kāi)始的擴(kuò)展瞳孔位置的能量分布。

圖 11 沿 X 方向 10 度的場(chǎng)角處擴(kuò)展光瞳位置的能量分布。

上一篇文章：Ansys Zemax | 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

在第三部分中我們將解釋 k空間中光柵的規(guī)劃和討論設(shè)置每個(gè)光柵的細(xì)節(jié)，請(qǐng)大家持續(xù)關(guān)注。