Ansys Zemax | 模拟 AR 系统中的全息光波导：第一部分

专业复刻的AR系统设计：全息光波导与OpticStudio的正向融合应用


背景及引入

增强现实（AR）技术是迅速发展的科技领域之一，旨在整合虚拟现实与物理现实，进而创造出前所未有的互动体验。AR系统通常通过全息图将光耦合至波导中，实现将信息流从显示引擎至佩戴者眼睛的高效传输。本文将深入探讨如何利用全息技术，在序化模式下构建用于行进增强现实的光学系统，尤其关注如何运用OpticStudio进行全息图表面的精确模型构建，以及优化整个光学系统性能。

全息图分析与模拟

全息图作为一种记录有干涉图案的高分辨率光感乳剂，其构建与使用包含两个关键阶段：构造和重构。构造阶段涉及全息图的创建（如在脱口录像摄录机中实现），而重构阶段则是在全息图作为光学元件的应用场景中。详细的构造与重构机制在《如何在OpticStudio中建模全息图》的文章中有详述。




系统构建与优化

在普通AR系统中，光通过全息图耦入波导结构，进一步传输至用户的眼睛，无论是奇石设备还是零售体验，这种设计都是基础构成。本文将聚焦于一种嵌入聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）材料的反射全息图应用，来模拟一个基础的AR设计流程。

初始设计规格与策略


出瞳距离：15mm


瞳孔直径：3mm


棱镜角度设置通常为45度，与物理系统中全息图的倾斜原型相符


波导厚度：10mm

光路构架开始于通过全息图对光束的耦合，全息图被嵌入PMMA材料，其倾斜45度确保光线高效地进入到波导结构中，镜像显示的信息给佩戴者的视觉体验。在OpticStudio中，这个系统被作为一种“反向”模型构建：物理系统中的微显示器被视为像平面，出瞳位置则在模型内部，以满足准确的光学系统模拟和优化需求。

详细构建步骤


创建眼部光阑


使用双层表面构造，首先添加两个表面于光阑位置，通过调整参数进行定向准备。


全息图配置

使用倾斜和偏心工具将全息图偏向X轴45度，这样光线以衍射模式从全息图出射并耦合进入波导结构。

光线定义与构造

构造光束：首先定义准直光束（光束1，中心坐标为0, 无穷, 无穷），用于照亮全息图区域

指向虚拟焦点：光束2设置指向于（0, 0, 100），模拟光线聚焦于全息图前方100mm处的焦点。

全息图参数

使用材质设置为“镜面”，全息图由波长0.55微米的光线构成。考虑到全息图在非空气介质中的构建，需要对波长进行缩放。此模型中以PMMA材料（折射率为1.49358）为模拟例子，使波长调整为0.3682微米。

布局与简化显示

通过OpticStudio的表面属性选项，移除显示边缘，简化布局，使其更具可视化效用。

模拟能力拓展

放置额外5个表面代入于全息图后方，并模拟波导侧边，确保光线在全反射条件下进入波导再稳定地流出。

系统性能优化

通过OpticStudio的优化功能，其中包括指定像面处最小代价的RMS光斑半径，使用自动化流程进行闭环系统调整，提升全息图设计的效果，实现整体性能的最大优化。

综上所述

本文呈现了对全息光波导在AR系统中的深入研究与实践，从理论引导至使用OpticStudio的具体操作步骤，展示了在提供虚拟环境与现实世界融合的同时，保持用户视觉体验的高度还原、优化设计与流程的透明性。通过严谨的方法论与技术演进相结合，为全息技术与AR应用搭建了一条贯通的创新路径。

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