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在 OpticStudio 中使用 RCWA 工具为增强现实（AR）系统设置出瞳扩展器（EPE）的示例中，首先解释了 k空间中光栅的规划，并详细讨论了设置每个光栅的步骤。

介绍

本文提供了多个实用的提示和技巧，旨在确保机械 CAD 程序与 OpticStudio 之间能够顺畅地进行数据交换。作为4篇系列文章的第2部分，本文详细介绍了一个包含波导和3个光栅的出瞳扩展器系统的设计。想要了解更多信息的可以查看本系列文章中的第一部分：Ansys Zemax | 使用衍射光学器件模拟增强现实 （AR） 系统的出瞳扩展器 （EPE）：第 1 部分

波导和第一（耦合内）光栅

如图 1 所示，第一步设置波导和第一个光栅。用户可以在这个阶段打开附件的 step1_waveguide_and_first_grating.zar 来检查系统。

图 1 波导和第一个光栅

检查此文件时需要了解的要点：

1. 波导由矩形体积 （Object 1） 构建。

2. 波导的光栅由衍射光栅对象（对象 2）构建。如图 2 所示，在 Object Property 设置中，衍射光栅使用衍射 DLL“srg_trapezoid_RCWA.dll”进行设置。这将充当二进制光栅，其形状如图 3 所示。DLL 使用表面浮雕光栅的 RCWA 方法计算衍射效率。想要了解关于 DLL 详细信息的，可以参考此篇文章：利用RCWA方法模拟表面浮雕光栅的衍射效率。

图 2 RCWA DLL 用于模拟该系统中的光栅。

图 3 用于 RCWA 的光栅形状。

3. 衍射光栅是由与矩形体相同的材料所制造的。而且，衍射光栅完全嵌入在波导的内部，具体如图4所示。衍射光栅的面 1 与矩形体积的面 1 重叠。请注意，假定光栅结构位于衍射光栅的面 1 上，而不是对象的整个体积上。在光线追踪模型中，认为衍射表面几乎没有厚度。真正的微观结构仅在 RCWA 磁芯中考虑，RCWA 磁芯计算衍射光线的效率和偏振。

图 4 对象衍射光栅在矩形体积内部定义，其面 1 与矩形体的面 1 重叠。

4.在Non-Sequential Component Editor（非顺序组件编辑器）中，定义衍射光栅（Diffraction Grating）对象时，需要确保其位于矩形体（Rectangular Volume）之后。这样设置可以确保衍射光栅的属性具有更高的优先级，这是遵循嵌套规则的结果。可以联系工作人员了解更多相关详细信息。

5. RCWA DLL 的参数 “Only these orders” 设置为 8，这意味着将仅跟踪订单 T-1（传输中的订单 -1）。这是提高系统仿真速度的技巧。当光线撞击光栅时，它应该分成几个衍射级。但是，在此系统中，只需要 T-1 订单。想要了解有关参数更多详细信息的，可以参考此篇文章：利用RCWA方法模拟表面浮雕光栅的衍射效率。

6. 矩形体积的 Face 0（Side Face）设置为 Absorbing，这使得光线在波导的边缘被吸收，如图 5 所示，这也使仿真更加高效。

7. 源椭圆发射准直光束，该光束通常入射到第一个光栅上。这是表示来自光引擎中图像源中心场的光的测试光束。应该有一个光引擎，在进入第一个光栅之前将图像源（例如 DMD、LCoS、LCD 等）转换为无焦光源。

图 5 矩形体积的 Face 0 （Side Face） 设置为 Absorbing。

第二（车削）格栅

在第二步中，我们需要添加一个车削格栅。该光栅沿一个方向扩展入射光束，并将其传播方向旋转 90 度。完成此步骤后，系统文件将被保存为“step2_turning grating.zar”。

图 6 添加到系统中的旋转光栅。

检查此文件时需要了解的要点：

1. 光栅是使用具有两个父对象的布尔原生 （Object 6） 构建的。衍射光栅对象（对象 5）提供衍射效果，而凸出对象（对象 4）提供所需的形状。这就是用户如何制作具有任何所需形状的光栅的方法。

2. 凸出的物体读取位于“\Documents\Zemax\Objects\Apertures”中的 UDA 文件，并凸出 2D 光圈以形成 3D 体积。UDA 文件的定义如图 7 所示。

注意： 现在我们已经提供了一个便捷的用户定义对象，用于设置多边形光栅。关于该对象的详细使用方法，您可以参考本系列文章即将发布的第4部分。请大家持续关注，以便及时了解更多信息。

图 7 系统中定义的 UDA。

3. 对象 5 中衍射 DLL 的参数“旋转光栅”设置为 45 度。这意味着光栅线条是从左上角斜向对齐至右下角，同时光栅的周期性变化是从左下角延伸至右上角。

4. 如图8所示，光线在车削光栅中会发生两种衍射。需要注意的是，在对象5的DLL设置中，起始阶数（Start Order）和终止阶数（Stop Order）参数分别被设定为-1和+1，这意味着衍射阶数为-2和+2或更高的光线将被忽略，不会参与衍射过程。

5. 在“System Explorer > Non-Sequential”中，将 Maximum Intersections Per Ray、Maximum Segments Per Ray 这 3 个参数修改为较大的数字，Minimum Relative Ray Intensity 修改为较小的数字，以便光线追踪不会在旋转光栅中停止。如果不进行这些修改，当光线在追踪过程中分裂时，可能会因能量降至最低限制以下而错误地终止追踪。

图 8 光线在第二个（旋转）光栅内部进行衍射有两种主要方式。

第三（外耦合）光栅和探测器

最后一步是添加第三个光栅以及一个检测器，用以捕捉外耦合光线。当光线触及第三个光栅时，它们会发生分裂：一部分能量会跃迁至衍射级+1并逸出波导，而另一部分能量则维持原方向前行，即保持在零阶状态。此步骤的系统文件保存为 “step3_out-coupling grating.zar”。

图 9 带有 3 个光栅的出瞳扩展器。

检查此文件时需要了解的要点：

1.为了满足矩形光栅的需求，我们采用了带有“DiffractionGrating.DLL”的用户自定义对象（对象7）来替代标准的衍射光栅对象。此外，为了适应更复杂且多变的形状需求，我们也支持用户自行编写专属的用户定义对象。 

2. 探测器（对象8）的主要作用是检查能量在出瞳（即眼框位置）的分布情况。设计此类系统的关键目标之一就是确保能量能够均匀分布在瞳孔空间内。请注意，探测器距离波导 15 mm。该距离可以被视为系统的眼距。

3. 这个源椭圆代表来自该系统中心场的光。要模拟来自其他场的光线，需要修改 Source Ellipse （源椭圆），如下所示。例如，您可以更改其参数为以下数值，结果将如图10所示。

• Z 位置 = 0
• 源>对象属性 > Pre-Propagation = -10
• 更改 Tilt About X 和 Tilt About Y 以获得所需的角度。例如，当光线以相对于X轴10度的倾斜角入射时，其能量分布如图11所示。

图 10 从中心磁场开始的扩展瞳孔位置的能量分布。

图 11 沿 X 方向 10 度的场角处扩展光瞳位置的能量分布。

上一篇文章：Ansys Zemax | 使用衍射光学器件模拟增强现实 （AR） 系统的出瞳扩展器 （EPE）：第 1 部分

在第三部分中我们将解释 k空间中光栅的规划和讨论设置每个光栅的细节，请大家持续关注。