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在 OpticStudio 中使用 RCWA 工具為增強現實（AR）系統(tǒng)設置出瞳擴展器（EPE）的示例中，首先解釋了 k空間中光柵的規(guī)劃，并詳細討論了設置每個光柵的步驟。

介紹

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

如何在 OpticStudio 中使用衍射光學器件模擬增強現實 （AR） 系統(tǒng)的出瞳擴展器 （EPE）：第 1 部分

如何在 OpticStudio 中使用衍射光學器件模擬增強現實 （AR） 系統(tǒng)的出瞳擴展器 （EPE）：第 2 部分

檢查占地面積

在設計 EPE 時，調查每個磁場的足跡是有用的。為了檢查封裝直徑，需要添加一個探測器，結果可以在 Shaded Model 中觀察到。相關示例已保存在附件 “step4_check footprint.zar” 中。

在檢查此文件時，請注意以下要點：

1.檢測器的Color和Scale參數已從默認值0進行了修改。這些調整主要是為了在Shaded Model中切換檢測器的外觀樣式，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器，我們還需要調整所有光柵和波導物體的不透明度設置，具體如圖1所示。在此示例中，波導的不透明度被設置為10%，而光柵的不透明度被設置為30%，請注意，這些設置完全可以根據用戶的實際需求進行調整。

圖 1 通過在 Object Properties 中將 Opacity 設置為小于 100%，對象可以在 Shaded Model 中透明。

3. 然后可以通過打開 Shaded Model 來觀察封裝。在 Shaded Model 中，它設置為顯示對象的隱藏線，并在最后一次分析運行時為檢測器的像素著色，具體效果如圖2所示，最終結果如圖 3 所示。

圖 2 在“著色模型”中，顯示對象的隱藏線，并通過最后分析為檢測器的像素著色。

圖 3 添加了一個檢測器，用于檢測每個磁場的足跡。

圖像模擬

為了模擬人眼觀察圖像時的視覺效果，我們需要一個虛擬圖像源。同時，在出瞳位置，我們需要設置一個理想的鏡頭系統(tǒng)來模擬眼睛的光學特性，來檢查圖像的呈現效果。在隨附的 “step5_image simulation.zar” 中演示了一個示例。

圖 4 為了模擬使用此波導系統(tǒng)的圖像外觀，添加了 6 個對象。前 3 個對象（#10 到 #12）是一個理想的投影系統(tǒng)，它在圖像源上準直點源并將光束發(fā)送到耦合光柵。最后 3 個物體（#13 到 #15）是一個成像系統(tǒng)，它將外耦合光束聚焦到其焦平面上的探測器。

檢查此文件時需要了解的要點：

1. 對象 #10 到 #12 一起代表一個理想的投影系統(tǒng)，它將圖像源投影到無限遠（無焦）。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. 對象 10 是使用帶有 Lambertian_Overfill.DLL 的 Source DLL 對象構建的矩形 Lambertian 光源。參數 Target Diameter 和 Target Distance 被指定給耦合內光柵。這使得模擬效率很高，因為只有能夠擊中耦合光柵的光線才會發(fā)射。

3. 對象 11 是一個 Slide 對象，可以使用位圖作為蒙版。它的位置應與對象 10 略微偏移。與 對象 10 結合使用，可以構建朗伯圖像源。在此示例中，位圖是要測試的 QR 碼。

4. 對象 12 是一個近軸鏡頭，其焦距等于對象 12 和對象 10 和 11 之間的距離。換句話說，圖像源正好位于這個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，在對角線上為 20 度。

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

7. 對象 14 是一個可以吸收光的環(huán)狀物。使用此對象有兩個原因。第一個是因為物體 13，即近軸透鏡，是矩形的，而人類的瞳孔是圓形的。另一個原因是外徑較大的環(huán)形可以阻擋不通過近軸透鏡而是直接打在探測器上的光線。環(huán)的內半徑為 3 毫米，代表人眼的瞳孔大小為 6 毫米。

8. 請注意，各個對象之間不能發(fā)生重疊。因此，在對象 13 和 14 的Z位置處都設置了一個較小的值。這樣，光線會首先擊中出瞳探測器（對象 8 ），然后經過近軸透鏡（對象 13 ），最后被環(huán)狀物體（對象 14 ）所過濾。

討論

此處的示例僅用于演示。本文不詳細考慮以下幾點，但這些方面或許能為設計此類系統(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耦合光柵的尺寸和系統(tǒng)所需的 FOV 來確定。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具有不同光柵參數的區(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。檢查當眼瞳孔移動時眼睛如何接收圖像也很重要。當瞳孔較小時檢查圖像質量也很重要。

4. 在本演示中，投影系統(tǒng)是使用近軸透鏡理想化的，而近軸透鏡實際上是單獨設計的透鏡系統(tǒng)。使用真實鏡頭會引入像差，但也可以為系統(tǒng)帶來一些靈活性。例如，通過適當的漸暈設計，可以控制不同視場點的 F/# 以補償波導和光柵的性能。

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 中使用衍射光學器件模擬增強現實 （AR） 系統(tǒng)的出瞳擴展器 （EPE）：第 1 部分

如何在 OpticStudio 中使用衍射光學器件模擬增強現實 （AR） 系統(tǒng)的出瞳擴展器 （EPE）：第 2 部分

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