VirtualLab：具有连续调制光栅区域的光波导化

摘要

在增强现实和混合现实应用 (AR & MR) 领域的波导光学器件设计过程中，横向均匀性（每个视场模式）和整体效率是两个最重要的评价函数。为了在光波导系统中获得适当的均匀性和效率值，有必要允许光栅参数的变化，特别是在光瞳扩展区域和/或耦出区域中。为此，VirtualLab Fusion 能够在光栅区域中引入平滑变化的光栅参数，并提供必要的工具来根据定义的评价函数运行优化。此用例展示了如何使用连续变化的填充因子值优化波导来获得足够的均匀性。

 

任务描述

 

光波导组件

 使用波导组件，可以轻松定义具有复杂形状区域的波导系统。 此外，这些区域可以配备理想化或真实的光栅结构，以充当耦入元件、耦出元件或出瞳扩展元件。 更多信息请见：

波导的构造

 

光栅区域

 

对于耦入元件、耦出元件和眼瞳扩展元件 (EPE)，使用了真实光栅。他们的瑞利矩阵和相应的效率是用 FMM (RCWA) 严格计算的。您可以在以下位置找到有关如何设置的更多信息：

如何使用真实光栅结构设置一个波导
 

均匀性探测器

 

均匀性探测器评估局部区域内（称为光瞳）的能量强度。每个光瞳由其大小定义(𝑑𝑥 × 𝑑𝑦) ，其可以设置为椭圆形或矩形。

您可以下方链接找到有关如何设置的信息： 

用于波导系统的均匀性探测器

 

总结-组件

 

带有附加指南的一般工作流程

 

1. 基本光学波导设置的配置（不属于此用例的一部分）

 

2. 光束步迹和光栅分析工具的应用，包括生成满足参数调制所有要求的光学设置

 

3. 光栅参数所需调制的定义

 

4. 选择变量并定义评价函数以优化调制光栅参数。

 

以一个现有的、可运行的波导系统作为基础，即已经包括基本几何形状（所需距离和定位光栅区域）和光栅规格（方向、周期、顺序）。这个例子取自：

• 构建波导 [用例]

• 波导板布局设计工具 [用例]

 

配置光栅区域的真实光栅结构，这是应用光栅参数连续或平滑变化之前的必要步骤：

• 如何设置具有真实光栅结构的波导 [用例]

• 使用真实光栅模拟一维-一维光瞳扩展元件 [用例]

 

光束步迹和光栅分析工具用于指定光栅参数变化的所需范围，并针对特定条件（波长和方向）预先计算相应的瑞利系数。下一步，生成光学设置，其中可以定义平滑参数变化：

• AR/MR 应用波导的步迹分析 [用例]

• 光波导上的光栅分析和平滑调制的光栅参数 [用例]

 

注意：光栅调制是针对各个光栅区域定义的。

 

步迹和光栅分析

 

在步迹和光栅分析工具的帮助下，光栅特性（复值）被预先计算并存储在查找表中，用于选定参数的指定范围（例如填充因子）。根据可用的效率调制范围选择填充因子的初始范围。更多信息可参见：

 

光栅分析和在波导上的平滑调制光栅参数

 

初始系统的生成

  

 

• 具有所谓光栅参数调制功能的光波导设置由步迹和光栅分析工具生成（包括光栅特性）。

 

• Uniformity Detector 用于定义优化的评价函数。

 

定义光栅区域的调制函数

 

• 打开光波导组件中区域的编辑对话框；光栅特性和查找表存储在光栅区域中。

• 编辑光栅参数调制功能，使其定义为可编程功能，光栅参数的预期线性调制由开始和结束位置的值定义（EPE 从左到右边界，外耦合器从上到下）。

 

初始系统的生成

在分别为 EPE 和耦出光栅定义调制后，可以通过 Optical Setup > New Parameter Optimization 启动参数优化文档。

 

优化设置-选择参数


 

 • 分别为EPE 和耦出光栅选择调制开始和结束位置的填充因子值。

 

• 根据调制功能编辑器中的设置自动填充初始值。

 

优化设置 - 指定约束

 

• 定义变量的可用范围（此处：EPE 和外耦合器的填充系数）。

 

• 为了实现低均匀性误差和可接受的强度分布，将均匀性误差的目标值设置为 0%，并指定算术平均值的目标值。

 

• 通过定义评价函数的权重值，可以调整优化的贡献（相关性或优先级）。
 

优化结果

 

优化结果

 

 

优化均匀性与能量密度

通过对初始和优化系统的眼动范围进行线扫描，揭示了均匀性和局部能量密度的差异。

 

VirtualLab Fusion技术

  

 

更多阅览