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 3 部分

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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

本文是四篇文章系列中的第三篇，详细展示了封装图的检查步骤以及出瞳扩展器（EPE）系统图像的模拟方法。最后，我们还探讨了EPE系统潜在的改进方案及其他值得考虑的因素。您想要了解更多详细信息的可以查看其他部分的链接。

如何在 OpticStudio 中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

如何在 OpticStudio 中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 2 部分

检查占地面积

在设计 EPE 时，调查每个磁场的足迹是有用的。为了检查封装直径，需要添加一个探测器，结果可以在 Shaded Model 中观察到。相关示例已保存在附件 “step4_check footprint.zar” 中。

在检查此文件时，请注意以下要点：

1.检测器的Color和Scale参数已从默认值0进行了修改。这些调整主要是为了在Shaded Model中切换检测器的外观样式，而不涉及任何物理效果的改变。

2.为了确保在着色模型中能够清晰地观察到探测器，我们还需要调整所有光栅和波导物体的不透明度设置，具体如图1所示。在此示例中，波导的不透明度被设置为10%，而光栅的不透明度被设置为30%，请注意，这些设置完全可以根据用户的实际需求进行调整。

图 1 通过在 Object Properties 中将 Opacity 设置为小于 100%，对象可以在 Shaded Model 中透明。

3. 然后可以通过打开 Shaded Model 来观察封装。在 Shaded Model 中，它设置为显示对象的隐藏线，并在最后一次分析运行时为检测器的像素着色，具体效果如图2所示，最终结果如图 3 所示。

图 2 在“着色模型”中，显示对象的隐藏线，并通过最后分析为检测器的像素着色。

图 3 添加了一个检测器，用于检测每个磁场的足迹。

图像模拟

为了模拟人眼观察图像时的视觉效果，我们需要一个虚拟图像源。同时，在出瞳位置，我们需要设置一个理想的镜头系统来模拟眼睛的光学特性，来检查图像的呈现效果。在随附的 “step5_image simulation.zar” 中演示了一个示例。

图 4 为了模拟使用此波导系统的图像外观，添加了 6 个对象。前 3 个对象（#10 到 #12）是一个理想的投影系统，它在图像源上准直点源并将光束发送到耦合光栅。最后 3 个物体（#13 到 #15）是一个成像系统，它将外耦合光束聚焦到其焦平面上的探测器。

检查此文件时需要了解的要点：

1. 对象 #10 到 #12 一起代表一个理想的投影系统，它将图像源投影到无限远（无焦）。投影系统的出瞳位于耦合光栅上，这是 EPE 系统的入射瞳孔。

2. 对象 10 是使用带有 Lambertian_Overfill.DLL 的 Source DLL 对象构建的矩形 Lambertian 光源。参数 Target Diameter 和 Target Distance 被指定给耦合内光栅。这使得模拟效率很高，因为只有能够击中耦合光栅的光线才会发射。

3. 对象 11 是一个 Slide 对象，可以使用位图作为蒙版。它的位置应与对象 10 略微偏移。与对象 10 结合使用，可以构建朗伯图像源。在此示例中，位图是要测试的 QR 码。

4. 对象 12 是一个近轴镜头，其焦距等于对象 12 和对象 10 和 11 之间的距离。换句话说，图像源正好位于这个理想镜头的焦平面上。

5. 图像源为矩形，宽度为 5 mm，系统焦距为 10 mm。这意味着该 AR 系统在 X 和 Y 方向上的 FOV 为 ±14 度，在对角线上为 20 度。

6. 对象 #13 到 #15 代表模拟人眼观察的理想成像系统。对象 13 是一个近轴透镜，可以将无限共轭图像聚焦到其焦平面。对象 15 是焦平面上的探测器，用于检测近轴透镜聚焦的图像。

7. 对象 14 是一个可以吸收光的环状物。使用此对象有两个原因。第一个是因为物体 13，即近轴透镜，是矩形的，而人类的瞳孔是圆形的。另一个原因是外径较大的环形可以阻挡不通过近轴透镜而是直接打在探测器上的光线。环的内半径为 3 毫米，代表人眼的瞳孔大小为 6 毫米。

8. 请注意，各个对象之间不能发生重叠。因此，在对象 13 和 14 的Z位置处都设置了一个较小的值。这样，光线会首先击中出瞳探测器（对象 8 ），然后经过近轴透镜（对象 13 ），最后被环状物体（对象 14 ）所过滤。

讨论

此处的示例仅用于演示。本文不详细考虑以下几点，但这些方面或许能为设计此类系统的工程师提供灵感与启发。

1. 车削格栅的位置和形状可以重新布置，以充分利用空间。如图 5 所示，车削光栅可以尽可能靠近耦合光栅。所需的最小形状可以根据耦合光栅的尺寸和系统所需的 FOV 来确定。从 FOV 中，很容易知道由耦合式光栅的光传播形成的“扇角”。

2. 为了提高出瞳处的均匀性，可以将光栅分成几个具有不同光栅参数的区域。

3. 在图像模拟的演示中，眼瞳仅放在外耦合光栅的中心。检查当眼瞳孔移动时眼睛如何接收图像也很重要。当瞳孔较小时检查图像质量也很重要。

4. 在本演示中，投影系统是使用近轴透镜理想化的，而近轴透镜实际上是单独设计的透镜系统。使用真实镜头会引入像差，但也可以为系统带来一些灵活性。例如，通过适当的渐晕设计，可以控制不同视场点的 F/# 以补偿波导和光栅的性能。

图 5 车削光栅形状的规划主要需要考虑第一耦合光栅的尺寸和系统的视场角。系统使用的 FOV 决定了 “Fan angle”（扇形角度）。

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

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 2 部分

在第四部分中我们将演示如何检查封装图、模拟出瞳扩展器系统的图像、讨论 EPE 系统的可能改进和其他考虑因素，请大家持续关注。