Ansys Zemax | 模拟 AR 系统中的全息光波导：第二部分

专业改进AR全息光波导系统的光学性能分析


摘要

AR（增强现实）技术通过在现实场景中叠加虚拟世界实现了沉浸式体验，而AR系统中的全息光波导则是实现这一目标的关键组件之一。本文详细介绍了在前文基础上优化改进的AR全息光波导系统设计，旨在提升系统光学性能，满足小型化、高分辨率和广视角的需求，为实际应用奠定坚实基础。




引言

随着现代光学技术的不断进步，优化AR全息光波导系统成为了增强用户体验的关键。本文在总结前部分析的基础上，进一步探讨和完善了系统设计以解决现实场景中光路径管理、全息图像几何约束以及物理可行性问题，确保系统能够在真实世界与虚拟世界交互中提供高质量的视觉体验。

设计优化：

在改进设计时，首要目标是提高光学性能，包括聚焦性能和图像质量。首先，我们将设计规格优化，设置入瞳直径为4mm，将FOV（Field of View）扩展至±8度，同时确保波导厚度不超过6mm。随着设计参数的收紧，虽然带来了性能提升的可能性，但也可能遇到实用性减退的问题。因此，设计中引入了限制条件，确保光线在波导内部正确传播，避免前向和侧向散射，确保全息面在预期的位置上无遮挡，并将光线限定于波导管的顶部出口，避免撞击。

实际约束：

通过解决光学设计中的几何问题，设计中新增了虚拟面和坐标间断面，用于确保波导的几何形状与预期相符。利用Zemax的评价函数，创建了一个物理可行的优化环境。以下是设计改进步骤：

1. 参考曲面设定：在表面13后增加一个虚拟面作为参考，确保系统几何布局的有效性。

2. 波导出口面优化：在表面17后添加坐标间断面，优化波导出口面的倾斜。


3. 提高直观性：调整表面14的属性，使其在绘图时表现更加清晰，便于观察。


自由度增强：

在引入变量和约束条件的同时，设计允许全息图的移动、倾斜以及构造光的调整，提高系统灵活性。如根据特定参数灵活调整全息图位置、倾斜度，并优化构造光的参数值。

功能验证与约束设置：

遵循前文所述步骤，实现对实世界设计的各种限制和约束。参数操作如RAGZ、PLEN和RAGY、RAGZ等确保了点的精确定位、行与向量的正交性进行判断以及光线合理传播路径的维护，最终使系统优化实现物理上可行的设计。

结果与展望：

在应用实际约束与限制后，系统设计展现出其物理可行性。尽管像散问题仍然存在，但通过更换全息构造光设计，可以进一步优化系统性能，为实现高性能、低失真AR显示系统铺平道路。

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