引言随着AR/VR智能穿戴、车载AR-HUD设备规模化落地传统平面光波导难以贴合曲面外观与车载弧形挡风玻璃安装需求曲面全息波导成为下一代显示光学的主流方案。曲面波导轻薄美观、佩戴贴合度更高但自身曲率会引入额外光焦度造成光线传输偏移、成像像散、杂散光超标等问题。体全息光栅VHG作为波导核心耦合器件是补偿曲面光焦度、保障成像质量的关键。但光学研发普遍存在跨尺度仿真痛点宏观整机光路需要完整光线追迹微纳光栅需要高精度衍射计算单一软件无法兼顾两者多软件联用又存在数据割裂、仿真结果与实测偏差大的问题。依托Ansys光学仿真生态Zemax OpticStudioLumerical RCWA联合仿真工作流借助LSWM亚波长模型实现数据无缝互通一站式完成曲面波导全息耦合器从系统设计、微纳光栅仿真到整机成像验证的全流程开发。本文基于Ansys官方案例完整拆解标准化仿真流程。概述本文分为以下三个主要步骤步骤1在Ansys Zemax OpticStudio中建立系统模型本节将介绍仅使用内置Zemax全息物体的光学系统。我们将展示如何利用全息耦合器上的额外光功率来补偿波导曲率。步骤2在Ansys Lumerical中进行VHG仿真使用Ansys Lumerical软件中的RCWA求解器计算所需VHG物体的响应。通过利用体积内折射率调制的周期性来加速仿真。为了施加光功率在RCWA运行过程中执行循环以计算VHG元件表面上的响应。在每个空间位置调整记录k矢量以匹配我们想要诱导的函数。步骤3在Ansys Zemax OpticStudio中进行光线模拟将VHG的响应导出并加载到OpticStudio中以替换理想对象。然后我们可以在更接近实际的条件下在弯曲波导内进行光线追踪仿真。运行和结果步骤1在Ansys Zemax OpticStudio中建立系统模型利用理想物体建立光学模型打开文件curve_waveguide.zar。在这一步中我们研究的是第一种配置其中全息耦合器使用理想对象“环形全息图”进行建模。检查标记为“Hin Zemax”的对象2的参数“旋转R1”。2.1-将其设置为171.45mm即波导的外曲率值并观察通过波导传播的光线是否呈准直状态。2.2-将其设置为171.45*3514.35mm并观察曲率使得从物体同一点发出的光线在波导内以相同的角度传播。运行光线追踪并在探测器查看器中观察图像。在波导设计中图像通过透镜投射到第一个VHG元件上光线以一定角度入射使其在波导内发生全内反射。然后当光线与其中一个输出VHG元件相互作用时光线被提取出来。图像上的每个点都对应于光线在波导内的一个传播角度。图1 平面波导模型图对于弯曲波导光线在波导曲面上反射时会引入光功率。由于波导两个曲面的曲率引入的光功率方向相反因此存在某种补偿但必须调整全息耦合器引起的初始衍射角以考虑光功率的影响。图2 未调整的弯曲波导模型图在Zemax中全息物体通过构造点来定义。然后我们可以通过将构造点设置在较远的位置来定义准直记录光束或者使用较近的构造点来定义球面记录光束。然后在初始光学设置中利用“环形全息图”物体的曲率来模拟沿波导曲率方向矢状方向的光功率。通过这种方法我们可以设计出能够正确通过波导传播并产生清晰图像的系统。图3 无/有曲率补偿的传播步骤2在Ansys Lumerical中进行VHG仿真在上一步中我们通过人为改变VHG的曲率来调节全息图的光功率。然而在实际应用中全息图是层压在波导上的其曲率分别与波导的内表面或外表面相同。为了获得更好的仿真效果应该通过调整记录条件来控制光功率。这正是我们将在本步骤中使用RCWA求解器进行演示的内容。耦合器设计打开文件Generate_JSON_VHG_Hin.lsf。1.1-查看定义“VHG参数”的章节其中设置了初始构造点。1.2-请查看VHG空间采样循环。对于每个位置都会调整k向量以使RCWA条件与所需函数相对应。运行脚本并生成耦合器的.json文件RCWA求解器可用于模拟全息耦合器的响应。该求解器包含一个层重复功能可通过利用沿传播轴的折射率调制周期性来加速计算。有关如何设置简单VHG仿真的更多详细信息请参阅文末[1]“体全息光栅-Ansys Optics”。在这种情况下使用RCWA求解器执行循环以模拟VHG在不同位置的响应并调整记录k向量以考虑全息物体的曲率来产生所需的响应。对于入射耦合器我们希望垂直入射的输入光发生衍射并以一定角度传播到波导中。θ对于VHG上的某个位置(x,y)记录角度调整如下其中图4 VHG在不同位置的响应使用循环计算得到的RCWA响应集以JSON格式导出并导入Lumerical亚波长模型LSWM。该格式支持空间信息详情请参阅Lumerical亚波长模型如何模拟具有空间变化的光栅–Ansys Optics。在本例中所有VHG的尺寸均为9mm×9mm我们使用5x5点的网格对其进行采样。LSWM采用线性插值来估计网格内所有位置的响应。由于我们处理的主要是准直光束和缓慢的曲率变化因此该方法能够提供可接受的结果。为了获得更高的精度或表示更快的轮廓变化需要使用更精细的网格。图5 采样网格示意图请注意在对VHG进行采样的网格上具有相同y坐标的点提供的是相同的功能因为我们只在矢状方向上施加功率。然后将这些点集分组并用从1到5的“索引图”进行标记我们只运行5次不同的RCWA模拟而不是25次独立的运行。输出耦合器的设计输出耦合器的设计也采用了相同的策略但针对的是传输型VHG。波导内部分的曲率符号也与输入耦合器的曲率符号相反。打开文件Generate_JSON_VHG_Hout.lsf。运行脚本。它会执行与1D展开的3个输出耦合器VHG相对应的循环并生成3个单独的.json文件。图6 VHG在不同位置的响应请注意我们希望三个输出耦合器提供相同的输出方向。然而三个VHG中心处的法线并不平行它们之间存在±3.1°的偏差这导致玻璃中的输出角度相差2.07°。因此设计3个VHG输出角度θout分别设置为-2.07°、0°和2.07°。对于入射耦合器我们希望衍射效率尽可能高。对于出射耦合器衍射效率应随着瞳孔扩张而逐渐提高从而使光在三个VHG之间均衡地提取。理想情况下三个出射耦合器的效率应分别为33%、50%和100%在配置1中使用理想元件时就是这样设置的。为了实现这种效率变化需要对三个输出VHG的折射率调制进行不同的调整。图7 输出耦合器的中心响应增加VHG的厚度可以提高衍射效率但也会导致角度带宽变窄。因此在系统预期角度带宽内找到效率和响应均匀性之间的良好平衡点至关重要。步骤3在Ansys Zemax OpticStudio中进行光线模拟在这一步中我们将理想的Zemax对象替换为包含上一步使用RCWA求解器计算结果的.json文件。打开文件curve_waveguide.zar并切换到配置2。1.1-在“透镜阵列”对象的设置中检查衍射选项卡中是否选择了正确的.json文件。1.2-检查“微透镜阵列”对象的曲率是否分别与波导的外曲率和内曲率相匹配。运行光线追踪并在探测器查看器中观察生成的图像。Zemax对象提供了一个选项可以通过输入体全息图参数使用Kogelnik方法计算体全息图的效率。然而由于元件的曲率是人为设定的因此计算结果无法准确描述全息元件的实际性能。因此我们手动将衍射级次设置为理想值入射耦合器为100%出射耦合器分别为33%、50%和100%。.json文件包含使用RCWA求解器计算的VHG响应相关数据。与理想元件的情况相比它在几何形状元件的正确曲率、角带宽和杂散光方面提供了更真实的系统行为表示。图8 Zemax中的实体模型图图9 图像模拟结果对比当然理想图像看起来更好尽管我们仍然可以看到由于系统柱面特性而残留的一些像散。然而在第二种配置中我们可以看到得益于Lumerical亚波长模型补偿波导曲率的正确光学函数可以直接集成到VHG的光学函数中。对于弯曲波导系统的设计使用RCWA计算的VHG进行仿真可以更好地表示和可视化对整体系统优化至关重要的均匀性和杂散光。注意要将.json文件导入Zemax应将其放置在Zemax DLL Diffractive文件夹中。针对不同的VHG元件设置了RCWA脚本其中包含了每个VHG的特定记录条件和预期曲率。RCWA模拟的背景材质设置为1.5因此所有角度均为玻璃。在.json文件中结构周期信息通过变量“reciprocal_lattice_vector”传递该变量是一个二维向量表示x和y方向的周期性。在本例中我们忽略y方向的周期性。参考案例[1]https://optics.ansys.com/hc/en-us/articles/37118679173267-Volume-Holographic-Grating[2]https://optics.ansys.com/hc/en-us/articles/34239784945299-Lumerical-Sub-Wavelength-Model-How-to-Simulate-a-Grating-with-Spatial-Variations[3]https://optics.ansys.com/hc/en-us/articles/43789665327123-Curved-Waveguide-Design-with-Holographic-Couplers关注摩尔芯创摩尔芯创——Ansys中国区授权代理商专注于为硅基光电子、电力电子、高科技半导体等行业提供电子设计自动化(EDA)和计算机辅助工程(CAE)协同解决方案涵盖光学、光电子学、电磁场、结构、流体、多物理场耦合等工业软件应用解决方案和咨询服务。