Ansys Zemax | 使用衍射光学器件模拟增强现实（AR）系统的出瞳扩展器（EPE）：第 2 部分

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在 OpticStudio 中使用 RCWA 工具为增强现实（AR）系统设置出瞳扩展器（EPE）的示例中，首先解释了 k空间中光栅的规划，并详细讨论了设置每个光栅的步骤。

介绍

本文提供了多个实用的提示和技巧，旨在确保机械 CAD 程序与 OpticStudio 之间能够顺畅地进行数据交换。作为4篇系列文章的第2部分，本文详细介绍了一个包含波导和3个光栅的出瞳扩展器系统的设计。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 | 使用衍射光学器件模拟增强现实（AR）系统的出瞳扩展器（EPE）：第 1 部分

波导和第一（耦合内）光栅

如图 1 所示，第一步设置波导和第一个光栅。用户可以在这个阶段打开附件的 step1_waveguide_and_first_grating.zar 来检查系统。

图 1 波导和第一个光栅

检查此文件时需要了解的要点：

1. 波导由矩形体积（Object 1）构建。

2. 波导的光栅由衍射光栅对象（对象 2）构建。如图 2 所示，在 Object Property 设置中，衍射光栅使用衍射 DLL“srg_trapezoid_RCWA.dll”进行设置。这将充当二进制光栅，其形状如图 3 所示。DLL 使用表面浮雕光栅的 RCWA 方法计算衍射效率。想要了解关于 DLL 详细信息的，可以参考此篇文章：利用RCWA方法模拟表面浮雕光栅的衍射效率。

图 2 RCWA DLL 用于模拟该系统中的光栅。

图 3 用于 RCWA 的光栅形状。

3. 衍射光栅是由与矩形体相同的材料所制造的。而且，衍射光栅完全嵌入在波导的内部，具体如图4所示。衍射光栅的面 1 与矩形体积的面 1 重叠。请注意，假定光栅结构位于衍射光栅的面 1 上，而不是对象的整个体积上。在光线追踪模型中，认为衍射表面几乎没有厚度。真正的微观结构仅在 RCWA 磁芯中考虑，RCWA 磁芯计算衍射光线的效率和偏振。

图 4 对象衍射光栅在矩形体积内部定义，其面 1 与矩形体的面 1 重叠。

4.在Non-Sequential Component Editor（非顺序组件编辑器）中，定义衍射光栅（Diffraction Grating）对象时，需要确保其位于矩形体（Rectangular Volume）之后。这样设置可以确保衍射光栅的属性具有更高的优先级，这是遵循嵌套规则的结果。可以联系工作人员了解更多相关详细信息。

5. RCWA DLL 的参数 “Only these orders” 设置为 8，这意味着将仅跟踪订单 T-1（传输中的订单 -1）。这是提高系统仿真速度的技巧。当光线撞击光栅时，它应该分成几个衍射级。但是，在此系统中，只需要 T-1 订单。想要了解有关参数更多详细信息的，可以参考此篇文章：利用RCWA方法模拟表面浮雕光栅的衍射效率。

6. 矩形体积的 Face 0（Side Face）设置为 Absorbing，这使得光线在波导的边缘被吸收，如图 5 所示，这也使仿真更加高效。

7. 源椭圆发射准直光束，该光束通常入射到第一个光栅上。这是表示来自光引擎中图像源中心场的光的测试光束。应该有一个光引擎，在进入第一个光栅之前将图像源（例如 DMD、LCoS、LCD 等）转换为无焦光源。

图 5 矩形体积的 Face 0 （Side Face）设置为 Absorbing。

第二（车削）格栅

在第二步中，我们需要添加一个车削格栅。该光栅沿一个方向扩展入射光束，并将其传播方向旋转 90 度。完成此步骤后，系统文件将被保存为“step2_turning grating.zar”。

图 6 添加到系统中的旋转光栅。

检查此文件时需要了解的要点：

1. 光栅是使用具有两个父对象的布尔原生（Object 6）构建的。衍射光栅对象（对象 5）提供衍射效果，而凸出对象（对象 4）提供所需的形状。这就是用户如何制作具有任何所需形状的光栅的方法。

2. 凸出的物体读取位于“\Documents\Zemax\Objects\Apertures”中的 UDA 文件，并凸出 2D 光圈以形成 3D 体积。UDA 文件的定义如图 7 所示。

注意： 现在我们已经提供了一个便捷的用户定义对象，用于设置多边形光栅。关于该对象的详细使用方法，您可以参考本系列文章即将发布的第4部分。请大家持续关注，以便及时了解更多信息。

图 7 系统中定义的 UDA。

3. 对象 5 中衍射 DLL 的参数“旋转光栅”设置为 45 度。这意味着光栅线条是从左上角斜向对齐至右下角，同时光栅的周期性变化是从左下角延伸至右上角。

4. 如图8所示，光线在车削光栅中会发生两种衍射。需要注意的是，在对象5的DLL设置中，起始阶数（Start Order）和终止阶数（Stop Order）参数分别被设定为-1和+1，这意味着衍射阶数为-2和+2或更高的光线将被忽略，不会参与衍射过程。

5. 在“System Explorer > Non-Sequential”中，将 Maximum Intersections Per Ray、Maximum Segments Per Ray 这 3 个参数修改为较大的数字，Minimum Relative Ray Intensity 修改为较小的数字，以便光线追踪不会在旋转光栅中停止。如果不进行这些修改，当光线在追踪过程中分裂时，可能会因能量降至最低限制以下而错误地终止追踪。