Zemax光学设计：AR系统中全息光波导的设计参考

Zemax光学设计：AR系统中全息光波导的设计参考
引言：
在AR系统中，光通过特定的光学系统耦合到波导中，可以将显示
信息传输并投影人眼。

光波导是实现AR近眼显示的关键光学元件。

光波导主要分为几何光波导和衍射光波导，几何光波导原理简单，其制备技术较为完善并且可以实现量产，但视场角与出瞳范围较小、制备工艺复杂；衍射光波导则具有极高的设计自由度及优良的性能，但成像时存在的彩虹效应与色散等问题仍待解决。

设计指标：全息光波导初始设计指标：出瞳距离：15mm；瞳孔直径：
3mm；FOV：10度；波导厚度：10mm。

设计仿真：
根据程序的实际工作方式，该光学系统需“反向”建模。

实际的光学系统中，AR系统的光源是微显示器，而成像平面是人眼的视网膜。

但为了在Zemax中准确建模且有效优化系统，AR光学系统“反向”建模。

人眼作为光学系统的入瞳，而微显示器作为光学系统的“像平面”。

（1）在系统通用对话框中设置系统参数。

在孔径类型中选择“Entrance Pupil Diameter”，并根据设计要求输入“3”；
在视场设定对话框中设置3个视场，要选择“Angle”，如下图：
在波长设定对话框中，输入0.55um一个波长，如下图：
（2）在光阑后添加2个面，如下图：
（3）使用倾斜/偏心工具将第3面Hologram 2表面围绕X轴旋转45度。

（4）设置Hologram 2来定义两个构造光束。

为了从Hologram 2中获得衍射光的方向，构造光束必须经过准直，光束2必须汇聚成一个虚拟焦点。

我们需要使用Hologram 2进行反射，所以它的材
质必须设置为“镜面(Mirror) ”，这明确地表明光线在到达Hologram 2表面后将以相反的方向传播。

根据这个思路，我们将
构造光源点的坐标(x, y, z)设置如下。

光束1是准直光束(0, -∞, -∞)。

光束2的构造点设置在(0, 0, -100)，这样会使光束聚焦在离Hologram 2表面100 mm的地方。

由于全息图将被嵌入非空气材料中，我们将需要在输入参数“构造波”时对波长进行缩放。

PMMA材料在0.55µm的光通过时的折射率为1.49358，因此构造光波长为0.55/1.49358 = 0.3682µm。

查看3D Layout：
（5）模拟光在光波导中的传播为了模拟光在波导中的传播，我们
在Hologram 2表面之后再添加5个表面。

前4个表面模拟波导中
的全反射(TIR)并从最后一个表面离开波导。

再查看3D Layout：
（6）使用主光线求解使每个镜面的中心都位于主光线上主光线求解只适用于坐标间断面，所以我们需要在每个表面之前添加坐标断点。

为偏心x或y参数设置求解时，主光线求解会自动设置数值，使得在指定波长（波长0表示主波长）所选视场的真实主光线，位于坐标断点之后表面的中央。

如下图所示，插入6个坐标断点面，
并在每个断点的“Y-偏心(Decenter Y)”参数上放置一个主光线求解。

再次查看3D Layout：
（7）第一次优化打开MFE，设置如下：
并将Hologram 2表面的Construct Z2设置为变量。

开始优化。

优化后的LDE，如下图：
查看3D Layout：
查看点列图：
（8）进一步收紧规格新的设计指标：出瞳距离：15mm；瞳孔直径：4mm；FOV：16度；波导厚度：6mm。

在系统通用对话框中设置孔径。

在孔径类型中选择“Entrance Pupil Diameter”，并根据设计要求输入“4”；
在视场设定对话框中设置3个视场，要选择“Angle”，如下图：
再修改LDE如下：
查看此时的3D Layout：
当收紧设计参数时，设计将会变得不切实际。

为了解决这个问题，我们需要限制设计参数，以确保光线遵循满足物理意义的路径。

我们将使用评价函数中的相关操作数强制执行以下3个条件：•当光线应该在波导内部时，它们不能在波导外部传播
•光线不能到达Hologram 2表面的后方
•光线必须从波导的顶部出射
为了便于优化，我们首先在表面13（设置材料为PMMA）之后添加一个虚拟面。

这个曲面将被用作一个参考曲面，以确保系统的几何形状是正确的。

接下来，在表面17的波导出口之后添加一个坐标断点面，然后将现有的表面厚度剪切并粘贴到新的坐标间断面厚度，这个新表面将用于倾斜像面。

为了满足设计规格，我们可以在设计中加入更多的变量，让设计更加自由。

首先，允许全息图移动和倾斜，使用以下设置：
•将表面厚度5与表面厚度2用Pick up求解关联，缩放因子-1
•将表面2的厚度设置为变量
•将全息图的X-倾斜设置为变量
其次，将全息图2表面的构造Z1、Y2、Z2参数设置为变量，使构造光可被修改。

第三，将表面15和表面17的厚度和这两个面关于X的倾斜度设置为变量，使波导的出口面可以移动和倾斜。

（9）限制系统以符合实际情况在添加曲面和设置变量后，下一步是利用评价函数来实现对系统的真实控制。

我们使用光斑大小作为标准建立了默认评价函数，并为表面的位置上添加详细的限制。

MFE 设置如下：
（A）防止全息图与波导的侧面重叠，从下图你可以看到点A在表面9的右边。

第2行，利用RAGZ操作数求出曲面4上点A的位置，并约束其Z位置小于曲面9的Z位置，这可以防止全息图与波导的侧面重叠。

第6行，从波导入口到全息图的距离必须是正值，使用PLEN操作数确保这个长度应该大于0。

（B）将点A限制在如图所示直线BC的左边
运用向量积的概念，根据右手规则，如果你想让直线BA保持在直线BC的左边，那么就是计算出直线BA和直线BC的行列式作为判定标准，并且目标值小于零。

第9-16行，
用RAGY和RAGZ求点B和点A的坐标，
用RAGB和RAGC操作数可以很容易地求出直线BC的单位向量。

（C）确保光线在表面13和16之间以及表
面16和19之间的传播可行
第22-29行，使用PLEN和OPGT操作数，使其目标值都大于0。

（D）将控制点D移至EF线左侧
按照（B）步骤的操作，通过计算两个向量EF和ED之间的行列式来实现这个控制。

第31-38行，用RAGY和RAGZ求点E和点F的坐标，用RAGB和RAGC操作数可以很容易地求出直线EF的单位向量。

（E）约束点F（边缘光线穿过表面14）的Y位置必须大于点D的Y位置
为了得到点F的位置，我们需要使用虚拟曲面14。

第44-47行，使用用RAGY和RAGZ求点D和点F的Y坐标。

加入以上的物理限制后，开始优化。

优化后的3D Layout，如下图：
查看点列图：。