国产光学软件突破 | 3D可视化衍射光波导仿真
原文信息
原文标题：“基于光线场追迹的国产3D可视化衍射光波导仿真模块研究”
第一作者：覃嘉佳
通讯作者：宋强，刘祥彪, 张善文，段辉高，周常河
增强现实（AR）技术作为新兴人机交互模式，其近眼显示领域中，AR 衍射光波导技术因轻量化、小型化等优势成为核心发展方向。高品质衍射光波导的设计优化离不开专业仿真软件。为填补国内空白，本研究团队研发了完全自主可控的 3D 可视化衍射光波导仿真模块，覆盖 k 域分析、光波导仿真与优化全过程，可纳入微投影光机和人眼模型实现全维度仿真。
研究基于该模块设计二维出瞳扩展衍射光波导，通过确定光栅矢量、划分功能区域并精细调控光栅参数，结合光线场追迹完成仿真，并与国外商业软件结果对比，验证了模块的有效性与实用性，为我国 AR 产业自主发展提供技术支撑。
二维出瞳扩展衍射光波导中的光线传播示意图（来自原文）
该模块成功设计出具备二维出瞳扩展的衍射光波导，整体系统由微型投影光机、光波导与人眼模型构成，结构设计极具优势。其投影光学系统焦距 14.5 mm，对角线视场角 28°，总长度仅 9.45 mm，光学元件直径小于 5.4 mm，凭借紧凑小巧的特性，完美适配近眼显示设备的轻量化需求。在性能表现上，该系统在 30 cycles/mm 采样频率下的光学调制传递函数（MTF）值均优于 0.7，成像质量稳定可靠。
可视化3D衍射光波导模组示意图（来自原文）
为验证模块性能，研发团队与市面主流商业软件，在衍射效率、均匀性及光线路径等关键指标上展开对比，结果充分证明了该国产模块的精度与可靠性。目前，该成果已以相关论文形式发表于国产核心期刊《中国光学》第 18 卷第 4 期，相关光波导模块已正式嵌入武汉二元科技有限公司的 OAS（Optical Advanced Software）软件。
（a）投影光机系统布局（b）投影光学系统的MTF（来自原文）
OAS 光学软件的光波导设计功能非常便捷，该功能将构建更为高效、精准的设计流程，进一步推动光学领域的发展。目前软件已在光波导设计中展现卓越效能，为科研人员和工程师提供技术保障。