Ansys Zemax | 模拟 AR 系统中的全息光波导：第一部分

武汉宇熠

1年前浏览2493

AR系统通常使用全息图将光耦合到波导中，从而将光从显示引擎传输到佩戴者的眼睛。本文演示了如何在 OpticStudio 中使用全息图表面作为平面波导结构内的耦合器。(联系我们获取文章附件)

推荐阅读第二部分：ZEMAX | 模拟 AR 系统中的全息光波导：第二部分

简介

增强现实 (AR) 是一种将在屏幕上的虚拟世界与现实世界的场景结合并交互的技术。本文演示了如何利用全息技术在序列模式下建立一个用于增强现实的光学系统。

增强现实系统和全息图

全息图是记录在高分辨率感光乳剂上的干涉图案。全息系统的使用中存在两个不同的阶段：构造阶段和重构阶段，分别适用于全息图的构建和作为光学元件的使用。有关该主题的详细内容，请参考文章：“如何在OpticStudio中建模全息图”。

在普通的AR系统中，光通过全息图耦合到波导中，从而将相关信息从显示器传输到眼睛。波导的优点是它很大程度上是透明的，不会阻挡来自现实世界的光。在这篇文章中，我们将指导您使用嵌入PMMA材料的反射全息图来建模一个简单的AR设计。

规格和设计策略

我们将从一个简单的设计开始，然后进一步完善系统。初始规格是：

出瞳距离= 15mm
瞳孔直径= 3mm
FOV = 10度
波导厚度= 10mm

光线将通过全息图耦合到波导中。全息图将被嵌入到PMMA材料中且出口面将会倾斜45度。根据程序的实际工作方式，系统会被“反向”建模。现实中（物理系统中），AR系统的光源是微显示器，而成像平面将是人眼的视网膜（AR系统的出瞳和人眼系统的入瞳将被放置在同一位置）。但为了在OpticStudio中准确建模且有效优化系统，物理系统的出瞳被定义为在OpticStudio中建模系统的入瞳，而微显示器被视为系统的“像平面”。因此，本文中任何光线都是按照在OpticStudio中建模的方式来描述的。

初始设计

初始设计初始条件设置包括：

入瞳直径 = 3.0 mm
视场点位于 Y 轴 0 度，5 度和 -5 度处
波长 = 0.55 µm

首先在光阑后添加两个表面，设置如下图所示。然后使用倾斜/偏心工具将全息图表面围绕 X 轴旋转45度。

接下来我们将设置全息图，所以需要定义两个构造光束。为了从全息图中获得衍射光的方向，构造光束必须经过准直，光束2必须汇聚成一个虚拟焦点。我们需要使用全息图进行反射，所以它的材质必须设置为“ 镜面 (Mirror) ”。这明确地表明OpticStudio光线在到达全息图表面后将以相反的方向传播。

根据这个思路，我们将构造光源点的坐标 (x, y, z) 设置如下。光束1是准直光束 (0, -∞, -∞) 。光束 2 的构造点设置在 (0, 0, -100) ，这样会使光束聚焦在离全息图100 mm的地方。

我们假设全息图由波长为0.55µm 的光构造，并且全息图在构建的过程中会被嵌入到PMMA材料内。由于全息图将被嵌入非空气材料中，我们将需要在输入参数“ 构造波 ”时对波长进行缩放。PMMA材料在0.55µm 的光通过时的折射率为1.49358，因此构造光波长为0.55/1.49358 = 0.3682 µm。

为了更方便查看布局图，我们可以使用一个小技巧。由于绘制两个表面之间的边缘是没有意义的，所以转到表面属性 (Surface Properties) …绘图 (Draw) 并勾选选项“ 不显示此表面边缘 (Do Not Draw Edges From This Surface) ”。将此设置应用到表面 2 到像平面之间的所有表面。

为了模拟光在波导中的传播，我们在全息图表面之后再添加5个表面。前4个表面模拟波导的侧边，光在那里发生全反射 (TIR) 并从最后一个表面离开波导材料。

接下来，我们可以使用主光线求解使每个镜面的中心都位于主光线上。主光线求解只适用于坐标间断面，所以我们需要在每个表面之前添加坐标间断。为偏心x或y参数设置求解时，主光线求解会自动设置数值，使得在指定波长（波长0表示主波长）所选视场的真实主光线，位于坐标间断之后表面的中央。如下图所示，插入6个坐标间断面，并在每个断点的“ Y-偏心 (Decenter Y) ”参数上放置一个主光线求解。

准备优化

至此，初步设计已基本完成，我们将开始优化系统。首先，使用优化向导设置RMS光斑大小作为像质标准。然后将构造Z2设置为变量，这样我们可以快速修改全息图的光角度。

第一次优化的结果显示了在像面上实现最小的RMS光斑半径时所需的全息图光焦度最佳结果。有了初始设计之后，我们将对这个系统进行一系列优化，包括扩大FOV、增加入瞳的直径（相当于增加眼动范围）、使波导更薄等。

参考资料

1. Konica Minolta Technology Report Vol.1 (2004）

2. OpticStudio help files

Lumerical Zemax | 针对 OLED 的联合仿真

01说明此案例首先示范使用Lumerical中STACK求解器的相关函数指令，优化偶极子在叠层中的位置，接着计算单位立体角的功率，把仿真结果转换成红绿蓝三色光源的能量角度分布。最后把结果转成ZemaxOpticStudio光源格式，在ZemaxOpticStudio中视觉化任意OLED源阵列的远场结果。02综述在Lumerical中我们会使用stackfield函数来找偶极子最佳的位置，用stackdipole函数换算出远场光场。最后把远场光场带入ZemaxOpticStudio，可以观察多个光源非相干的宏观光场分布。有些OLED结构会使用散射结构来增加提取效率，但由于散射结构仿真比较耗费仿真资源，因此建议先优化叠层结构之后再进行散射相关优化。步骤1：确定发光层中的偶极子位置使用stackfield函数可以获得由平面波注入的多层堆栈内的电场配置档案。最佳偶极子位置是发光层区域的最大电场处，以提高自发辐射速率。参考文献[1]中的介电堆栈几何形状由六层组成，折射率分别为1.5：2.13：1.87：1.94：1.75：0.644+5.28i，如下所示。虽然FDTD仿真和stackfield函数都可用于计算此几何体内的电场分布，但stackfield函数对于多层几何形状的效率要高得多，尤其是在需要大量仿真时。stackfield函数的输入包含层的折射率、厚度，以及源波长和入射角。这相当于执行一维模拟（一个网格单元沿着x轴和y轴），平面波源沿着z轴移动。相应完整脚本请查看官网案例步骤2：计算单位立体角的功率官网案例的脚本文件将使用stackdipole函数计算OLED堆栈的红、绿和蓝色发射光谱远场功率密度（见下图）。我们使用位于有源区中心的单个非极化偶极子来提取所有三种光频率的功率密度。此结果用于生成3个射线集并保存为可导入OpticStudio的.dat格式。如下图所示，红色像素显示大视角处每单位立体角的功率较大，即常见的大视角偏红现象。步骤3：在OpticStudio中进行光线追迹在此步骤中,会将步骤2完成的.dat档案汇入OpticStudio，在整体模型中作为光源来传播光线。导入流程包含将光源信息的.dat文件放在OpticStudio光源指定文件夹中，以及在非序列元件编辑器中创立SourceFile物件并代入.dat档案。步骤2中有红、绿、蓝色三个像素的射线集，因此在此需要创建3个SourceFile物件作为三种光源。OpticStudio可以快速完成OLED阵列化。方法为在SourceFile物件的属性中，导航到源选项卡并选择矩形阵列类型，此案例中设定了30x1的阵列。每个光源SourceFile物件必须单独完成阵列化设定。在非序列元件编辑器中，将每个光源的随机化参数设置为1，并将每个源的分析光线数设置为50,000，使用光线分裂运行光线追迹。运行光线追迹后，查看检测器会显示人眼看到的照度。在这种情况下，三种不同的光源混合在一起形成白光。此外，在整个设备的着色模型中，可以添加布局光线以从源文件中查看较少数量的光线。模型参考文献：SeungHwanKo,"OrganicLightEmittingDiode-Material,ProcessandDevices",(2011),DOI:10.5772/19292.seechapter10,"Micro-cavityinorganiclight-emittingdiode"byYoung-GuJu.