Zemax Lumerical Speos | 联合实现衍射光波导AR系统设计仿真_SPEOS_Lumerical

Zemax Lumerical Speos | 联合实现衍射光波导AR系统设计仿真

在这个联合方案中，将介绍一个仿真工作流程来分析单色AR(增强现实)系统的光学性能，用Zemax OpticStudio设计的光学透镜系统和用 Lumerical设计光栅结构，到Speos进行系统级分析。

概览

增强现实(AR)是一种将屏幕上的虚拟世界与现实场景相结合的技术，使用Ansys的完整光学解决方案来设计和分析瞳孔扩展器EPE衍射光栅构成的AR系统，将Zemax OpticStudio的光学透镜系统信息和Lumerical的光栅信息导入到Speos中，对这些系统进行系统级性能分析，使用Speos在3D环境中模拟整个AR光学系统时，这个互操作性工作流捕获了光栅微结构和透镜的宏观结构之间的相互作用，并且可以在照明场景中准确感知视觉效果。

这个解决方案需要三个主要工具：

1. Zemax OpticStudio 设计投影透镜，并将CAD模型导出到Speos；

2. Lumerical RCWA 或 FDTD 来模拟衍射光栅；

3.Speos 生成光辐射图和人眼感知仿真结果。

设计流程

1.用Zemax OpticStuido设计镜头系统，并将相应的透镜数据传输到Speos，从Zemax OpticStudio转移镜头CAD模型到Speos有两种方法：一种是使用Speos-Zemax光学透镜导入工具，该工具可以通过Ansys store访问，另一种是将透镜系统导出为Zemax OpticStudio中的STEP文件，并将其插入到Speos中。

2.在Lumerical中的光栅设计，本例中基于波导的AR系统依靠衍射光栅来控制光束在波导中的传播。利用RCWA求解器模拟了光栅的周期波长尺度结构，将耦合光栅、出耦合光栅和扩展光栅的衍射属性保存在JSON数据文件中，该文件充分描述了所有入射角和波长的结构，并且作为表面属性导入Speos，用以在光线在计算中模拟亚波长结构的属性，用于Speos系统级研究。

3.将光栅参数文件(JSON)作为面属性导入Speos，对AR系统亚波长衍射光学元件的特性进行建模。在Speos中，运行了光线追迹光度模拟，探索光线如何与基于波导的AR系统相互作用，并从亮度图中提取关键的人眼感知指标。此外，使用observer传感器从几个定义的角度对光学系统进行可视化，探索人眼在多个视点的真实照明条件下的感知。

结果分析

1.在Speos中，设置材料光学属性，surface properties选择plugin，plugin中选择lumerical-sub-wavelength*.sop文件，在parameters中选择JSON文件，同时使用UV mapping功能，旋转光栅方向。

2.光栅可以将光衍射成具有特定不同方向的几束光束。为了探究光栅对光传播的影响，可以使用交互式模拟，使光线从光源通过光学系统的传播可视化。

3.可以通过照度传感器收集射线并分析均匀性，传感器允许计算光的辐照度(W/m2)或照度(Lux)。通过模拟结果，可以在波导的输出耦合区域探索来自520nm均匀显示源的辐照度。模拟完成后，双击XMP打开辐照度图，并检查均匀性。模拟计算选择LXP，打开得到的lpf文件，通过measure功能，能供追迹光源到探测器的光线转播路径。

4.使用亮度探测器，以display光源入射系统评估最终特定视场下的亮度结果，收集系统的亮度信息，使用inverse仿真计算，打开XMP结果，系统显示图像信息内容。当然在仿真过程中，Speos支持加入场景环境光，使得系统的环境信息和显示信息全部叠加到用户的视野上。另外在人眼视觉条件下，激活人眼视觉参数可以模拟人眼的空间适应性，调节人眼参数实现不同的人眼视觉结果，在可读可视性分析中，可以分析场景环境下目标信息的可识别性。

5.如果选择observer 探测器，允许定义多角度的仿真模拟，将会得到Speos 360结果，可以动态多点查看系统的人眼视觉效果。

结论

在本例中使用1-D光栅用于衍射光学元件，为了使模式进一步发展，用户可以用自己的1-D甚至2-D光栅代替光栅，在一个或两个方向上衍射光。此外，为了设置景深考虑眼睛的真实感知，可以将Radiance亮度传感器替换为Human eye人眼传感器，然后进行进一步优化以调整性能。

Ansys Lumerical | 光子晶体布拉格光纤仿真应用

01说明FDE求解器可用于精确计算任意复杂结构的模式，包括光子晶体布拉格光纤。在此示例中，我们计算并分析了Vienne和Uranus描述的光子晶体布拉格光纤的模式。02综述模拟文件bragg_PCfiber.lms包含一个参数化组对象，可以进行结构建模。最初，在x-min和y-min处使用反对称边界条件以及在x-max和y-max处使用金属边界条件设置模拟。反对称边界条件允许我们仅模拟1/4的结构，从而节省时间。但是，我们必须注意不要漏掉可能需要对称条件或对称和反对称条件的组合的重要模式。03运行和结果首先，我们运行仿真并切换到分析模式。我们看到其中一种导模的有效折射率约为0.998。下面是圆柱坐标系中的Hr图。要研究此类结构的损耗，需要在x-max和y-max处的边界条件设置为PML，如下所示。我们最初没有这样做，因为它会增加计算时间，并且会更难找到导模的有效折射率。当我们重新计算模式时，我们可以查看折射率0.998附近并发现不同的模式。模式HrHphi模式HrHphi软件会计算出将近20种模式。模式7是。模式8是。上图显示了磁场的径向和角分量，可以与Uranus等人的结果进行比较，我们将有效折射率和损耗与Uranus等人的结果进行比较。MODE有效折射率结果与Uranus等人的结果非常接近。对于这种对数值网格的微小变化（以及实际制造缺陷）非常敏感的结构，计算损耗则更加困难，并且需要进行一些收敛测试才能找到更准确的结果。收敛测试我们首先将感兴趣的两种模式复制到全局DECK中，并将它们重命名为TE和HE，如下所示。现在可以通过运行优化和扫描来测试收敛性。扫描通过增加网格数目来多次计算模态。在每一步，它都会计算一遍模式，然后将与我们已经存储在DECK中的模式具有最佳重叠的模式识别为和模。然后，记录这些模式的有效折射率和损耗，作为所使用的网格数目的函数。最终结果如下所示，可以在Visualizer中绘制。有效折射率vs网格数目损耗vs网格数目我们看到，当我们达到500x500网格数目时，有效折射率开始收敛，但需要更多的网格数目才能获得更高的精度。根据计算机上的内存量，可以将测试的最大单元数增加到600x600或更多。损耗随着网格单元数增加而变化，但也开始在500x500网格数目下收敛。同样，可能需要进一步增加网格单元的最大数量以获得更准确的最终结果。500x500网格单元的结果是：有效折射率的一致性非常好，损失正在向Uranus等人的结果收敛。