使用新思科技波動(dòng)光學(xué)軟件RSoft進(jìn)行光柵仿真/設(shè)計(jì)的流程

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）眼鏡使用戶能夠在現(xiàn)實(shí)世界的環(huán)境中疊加數(shù)字圖像，可廣泛應(yīng)用于教育、醫(yī)療、導(dǎo)航、游戲和娛樂等領(lǐng)域。為了設(shè)計(jì)更輕巧的AR眼鏡，利用超緊湊的衍射光波導(dǎo)元件成為其中一種具有潛力的方案，其中關(guān)鍵設(shè)計(jì)包括擴(kuò)瞳光柵（EPE）與光波導(dǎo)耦合光柵（Coupler）。新思科技的波動(dòng)光學(xué)軟件RSoft可以用于各式光波導(dǎo)耦合光柵與擴(kuò)瞳光柵的設(shè)計(jì)和開發(fā)，仿真分析光柵性能及衍射行為，并且可以將分析結(jié)果與幾何光學(xué)工具LightTools整合進(jìn)行AR眼鏡的光學(xué)系統(tǒng)分析與優(yōu)化。本文重點(diǎn)介紹在RSoft中進(jìn)行光柵仿真/設(shè)計(jì)的流程如下 ：

第一步：建立模型（Structure modeling）

RSoft CAD可以創(chuàng)建各種光柵結(jié)構(gòu)，包括表面浮雕光柵（SRG）、體積全息光柵（VHG）和偏振體積光柵（PVG）。通過Symbols功能，可以輕松地將模型的幾何尺寸、數(shù)學(xué)公式和設(shè)定內(nèi)容參數(shù)化，并提供各向異性（Anisotropic）和色散（Dispersion）材料特性設(shè)置選項(xiàng)。

SRG：Segment功能非常適合用于建立光柵結(jié)構(gòu)的幾何外形，并可通過Symbol建立設(shè)計(jì)參數(shù)間的聯(lián)動(dòng)關(guān)系。

VHG：User Profile功能能以數(shù)學(xué)公式描述空間中折射率的變化，高自由度的分布變化可用來建立模型。

PVG：Crystal功能可以方便地定義晶軸在空間中的方向，也可以使用Anisotropic user profile直接定義空間中折射率的變化。

第二步：仿真分析（Simulation）

RSoft DiffractMOD RCWA為周期結(jié)構(gòu)計(jì)算的專用算法，對(duì)于大部份的周期性結(jié)構(gòu)計(jì)算具有很高的效率，能夠快速計(jì)算出光柵各個(gè)穿透/反射衍射階的效率、角度與偏振狀態(tài)。

RSoft FullWAVE FDTD同樣提供周期性邊界條件，也可以用于周期性光柵的計(jì)算，可稱為最嚴(yán)謹(jǐn)?shù)牟▌?dòng)光學(xué)分析工具，支持非線性網(wǎng)格（Nonuniform mesh）與集群計(jì)算（Clustering）能夠減少計(jì)算所需的時(shí)間。

上述兩種算法可在RSoft中自由切換，無需重復(fù)建模即可挑選最適合的計(jì)算方式。

第三步：掃描與優(yōu)化 (Scan & Optimization)

通過Symbols設(shè)定的參數(shù)化光柵模型可以直接通過MOST進(jìn)行參數(shù)掃描，并自動(dòng)輸出設(shè)計(jì)參數(shù)與光柵性能的圖表，使用者可以根據(jù)掃描結(jié)果找出符合設(shè)計(jì)需求的參數(shù)范圍。MOST中提供包括區(qū)域和全域的多種優(yōu)化算法來針對(duì)特定目標(biāo)進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，優(yōu)化目標(biāo)可由分析結(jié)果中指定或可自行定義評(píng)價(jià)函數(shù)，也可以通過Python編碼來定義分析流程與評(píng)價(jià)函數(shù)，以滿足設(shè)計(jì)上的各種需求。

第四步：輸出表面特性檔案（Output BSDF）

設(shè)計(jì)完成的光柵可以通過RSoft BSDF Utility輸出成參數(shù)化的表面特性檔案，在LightTools內(nèi)布局后進(jìn)行AR眼鏡光學(xué)系統(tǒng)的整體分析，并且因?yàn)檠苌涔鈻旁贚ightTools中以參數(shù)化的表面特性呈現(xiàn)，因此可以在LightTools內(nèi)對(duì)光柵設(shè)計(jì)進(jìn)一步優(yōu)化，以獲得最佳的整體效率與均勻性。

總結(jié)

單一光柵設(shè)計(jì)非常適合使用RSoft進(jìn)行，因?yàn)槠渌惴軌蛲暾抡娌▌?dòng)光學(xué)特性。可以通過靈活的建模方式和完整的材料特性定義來建立各種光柵模型，并且可以自由切換使用RCWA或FDTD算法以滿足不同的分析需求，從而使仿真分析更加高效。此外，還可以進(jìn)一步利用掃描和優(yōu)化功能幫助設(shè)計(jì)者探索設(shè)計(jì)參數(shù)或進(jìn)行優(yōu)化。在考慮系統(tǒng)中存在多個(gè)光柵時(shí)，可通過RSoft BSDF工具將設(shè)計(jì)好的光柵元件以參數(shù)化BSDF方式輸出，然后在LightTools內(nèi)進(jìn)行光學(xué)系統(tǒng)的整體仿真與優(yōu)化。