簡(jiǎn)介

本文提出并演示了一種以二維光柵耦出的光瞳擴(kuò)展（EPE）系統(tǒng)優(yōu)化和公差分析的仿真方法。

在這個(gè)工作流程中，我們將使用3個(gè)軟件進(jìn)行不同的工作 ，以實(shí)現(xiàn)優(yōu)化系統(tǒng)的大目標(biāo)。首先，我們使用Lumerical構(gòu)建光柵模型并使用RCWA進(jìn)行仿真。其次，我們?cè)贠pticStudio中構(gòu)建完整的出瞳擴(kuò)展系統(tǒng)，并動(dòng)態(tài)鏈接到Lumerical以集成精確的光柵模型。最后，optiSLang用于通過(guò)修改光柵模型來(lái)全面控制系統(tǒng)級(jí)優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)整個(gè)出瞳擴(kuò)展系統(tǒng)所需的光學(xué)性能。

本篇文章將分為上下兩個(gè)部分，附件可通過(guò)文末”閱讀原文“獲取。

概述

我們將首先在Lumerical和OpticStudio中構(gòu)建仿真系統(tǒng)，它們是動(dòng)態(tài)鏈接的。參見(jiàn)Dynamic workflow between Lumerical RCWA and Zemax OpticStudio：https://support.zemax.com/hc/en-us/articles/6367505128979-Dynamic-workflow-between-Lumerical-RCWA-and-Zemax-OpticStudio。

然后，OpticStudio通過(guò)Python節(jié)點(diǎn)鏈接到optiSLang進(jìn)行優(yōu)化，如圖1所示。

圖1 Lumerical通過(guò)動(dòng)態(tài)鏈接到OpticStudio，OpticStudio 通過(guò) Python 節(jié)點(diǎn)鏈接到 optiSLang，優(yōu)化由optiSLang控制。

如圖2所示，EPE系統(tǒng)包括兩個(gè)用于耦入和耦出的光柵。耦出光柵分為幾個(gè)區(qū)，如左側(cè)所示。每個(gè)區(qū)都將經(jīng)過(guò)優(yōu)化，以具有不同的光柵形狀。右圖顯示了光在 k 空間中的傳播的變化情況。

有關(guān) k 空間的更多信息，請(qǐng)參閱以下文章：How to simulate exit pupil expander (EPE) with diffractive optics for augmented reality (AR) system in OpticStudio: part 1：https://support.zemax.com/hc/en-us/articles/1500005491081

圖 2 光柵布局圖以及光線在K空間的傳播

第 1 步：系統(tǒng)設(shè)置 （Lumerical）

打開(kāi)附件中的ZAR文件時(shí)，兩個(gè)光柵文件會(huì)被提取到設(shè)置的路徑中。第一個(gè)光柵如圖3所示，它是耦入光柵中使用的二元光柵。該光柵是固定的，在優(yōu)化過(guò)程中不會(huì)改變。

圖 3 耦入光柵結(jié)構(gòu)為二元光柵。

第二個(gè) .fsp 文件如圖 4 所示，它是一個(gè)具有 7 個(gè)變量的平行四邊形柱體。在優(yōu)化期間，耦出中的每個(gè)區(qū)都將使用不同的變量組合集進(jìn)行優(yōu)化 。有關(guān)優(yōu)化設(shè)置的更多信息將在優(yōu)化設(shè)置部分中進(jìn)行說(shuō)明。

圖 4 耦出光柵中的結(jié)構(gòu)為平行四邊形支柱。

這兩個(gè).fsp文件都是用動(dòng)態(tài)鏈接的形式在OpticStudio中用于模擬完整的EPE系統(tǒng)。

有關(guān)動(dòng)態(tài)鏈接的更多信息，請(qǐng)參閱 Dynamic workflow between Lumerical RCWA and Zemax OpticStudio：https://support.zemax.com/hc/en-us/articles/6367505128979-Dynamic-workflow-between-Lumerical-RCWA-and-Zemax-OpticStudio

第 2 步：系統(tǒng)設(shè)置（OpticStudio）

如圖5所示，在該系統(tǒng)中，準(zhǔn)直光束入射到耦入光柵上，通過(guò)波導(dǎo)傳播，并與第二個(gè)光柵耦合。眼盒位于第二個(gè)光柵的較遠(yuǎn)部分。優(yōu)化的目標(biāo)是優(yōu)化眼盒接收的均勻性和總功率。

圖 5 初始EPE系統(tǒng)和眼盒輻照度。

在附件中有一個(gè)OpticStudio中建立的整個(gè)EPE系統(tǒng)的zar文件。如圖 6所示，僅構(gòu)建了第二個(gè)光柵一半的區(qū)域。這是因?yàn)橄到y(tǒng)具有對(duì)稱性。從圖 7 可以看出，探測(cè)器的參數(shù)鏡像設(shè)置為 1，這意味著在光線追跡期間，將始終對(duì)-x和+x部分進(jìn)行鏡像。這樣一來(lái)，我們可以只用一半的光線獲得相同的模擬結(jié)果。

圖 6 OpticStudio中的 EPE 系統(tǒng)設(shè)置。

圖7 探測(cè)器的鏡像參數(shù)設(shè)置為 1，這意味著該探測(cè)器在 x 方向上鏡像。

可以看出， 系統(tǒng)中的所有光柵物體都已使用動(dòng)態(tài)鏈接DLL進(jìn)行設(shè)置，如圖 8所示。

圖 8 為 EPE 系統(tǒng)中的光柵加載動(dòng)態(tài)鏈接 DLL。

第3步：優(yōu)化設(shè)置（optiSLang）

3-1.Python 用于評(píng)估系統(tǒng)

附件中包含了一個(gè)python文件EPE_2D_for_optiSLang.py，用于將optiSLang鏈接到OpticStudio。使用python代碼將 Ansys optiSLang附帶的優(yōu)化器與求解器Ansys Zemax OpticStudio + Ansys Lumerical鏈接非常有用。優(yōu)勢(shì)在于可以在每個(gè)優(yōu)化周期中進(jìn)行數(shù)據(jù)的預(yù)處理跟后處理，靈活性非常高。本章節(jié)會(huì)對(duì)代碼結(jié)構(gòu)進(jìn)行解釋。

代碼的基本結(jié)構(gòu)首先由 OpticStudio 中的按鈕生成，如圖 9 所示。

有關(guān)編寫(xiě)API以訪問(wèn)OpticStudio的更多信息，請(qǐng)參閱知識(shí)庫(kù)文章：Knowledgebase > Programming > API：https://support.zemax.com/hc/en-us/sections/1500001168641-API

圖 9 生成Python交互式擴(kuò)展代碼的樣板。

另外幾個(gè)模塊被導(dǎo)入到樣板中。模塊numpy，scipy用于對(duì)來(lái)自眼盒的輻照度數(shù)據(jù)進(jìn)行后數(shù)據(jù)處理。模塊matplotlib用于在眼盒上繪制和導(dǎo)出輻照度以供以后查看。導(dǎo)入time和random模塊，以便計(jì)時(shí)器跟蹤計(jì)算時(shí)間。

通過(guò)嘗試讀取變量OSL_WORKING_DIR，我們可以知道這個(gè)Python代碼是由 optiSLang調(diào)用還是手動(dòng)調(diào)用。當(dāng)optiSLang調(diào)用 Python代碼時(shí)，將創(chuàng)建一些稱為環(huán)境變量的變量來(lái)傳遞一些 optiSLang 信息。即使這些變量未在Python文件中定義，當(dāng)optiSLang調(diào)用代碼時(shí)，它們是可用的。

有關(guān)optiSLang中的 Environment 變量的更多信息，請(qǐng)參閱optiSLang用戶指南：https://ansyshelp.ansys.com/Views/Secured/corp/v222/en/opti_ug/opti_ug.html

在這個(gè)Python代碼中，有32個(gè)變量，如clen1、h2、rot4、w1 和 power，用于優(yōu)化，需要由optiSLang定義。我們會(huì)將這些變量設(shè)置為 optiSLang中的參數(shù)，在靈敏度分析或優(yōu)化時(shí)，optiSLang將自動(dòng)改變它們的值。如果我們不是從optiSLang直接運(yùn)行這個(gè)Python代碼，那么這些變量的值將是常量，如下面的代碼所示。

如圖10所示，每個(gè)區(qū)的光柵參數(shù)是通過(guò)預(yù)設(shè)的4個(gè)角的數(shù)據(jù)通過(guò)插值來(lái)確定的。其中 ν 是 dC、dR、dL、θC、θR、θL 、h ，n 是 1，2，3，4，對(duì)應(yīng)于 4 個(gè)角。通過(guò)這個(gè)公式，每個(gè)區(qū)上的7個(gè)光柵參數(shù)可以通過(guò)具有一定權(quán)重（wn）和非線性值（p）的4個(gè)角的參數(shù)來(lái)控制。

圖 10 從 4 個(gè)角插值的各個(gè)區(qū)的參數(shù)計(jì)算。

optiSLang按照預(yù)定義的優(yōu)化算法改變這些參數(shù)。不同的參數(shù)值被設(shè)置到python代碼中，這將進(jìn)一步設(shè)置OpticStudio中每個(gè)光柵塊的參數(shù)。在這個(gè)過(guò)程中，Python代碼扮演著將這些變量轉(zhuǎn)換為OpticStudio中精確參數(shù)的工作。只有當(dāng)我們使用optiSLang而不是OpticStudio中的內(nèi)置優(yōu)化器優(yōu)化系統(tǒng)時(shí)，這種預(yù)數(shù)據(jù)處理才有可能。通過(guò)這種方式，optiSLang可以根據(jù)一些未直接暴露在OpticStudio UI中的虛擬或高級(jí)變量來(lái)優(yōu)化系統(tǒng)。

設(shè)置參數(shù)后，我們使用以下代碼段追跡光線。

使用optiSLang優(yōu)化系統(tǒng)的另一個(gè)好處是數(shù)據(jù)后處理。在這個(gè)優(yōu)化過(guò)程中，我們不會(huì)直接優(yōu)化眼盒上的輻照度分布。我們首先使用瞳孔函數(shù)對(duì)輻照度分布進(jìn)行卷積，如圖11所示，然后將優(yōu)化目標(biāo)設(shè)置為該卷積結(jié)果的均勻性。這個(gè)結(jié)果的x和y軸可以解釋為人眼在眼盒中的偏移。z軸是人眼看到的平均輻照度。

圖 11 使用瞳孔函數(shù)對(duì)輻照度分布進(jìn)行卷積。

根據(jù)卷積結(jié)果，我們可以計(jì)算對(duì)比度 、總功率和均勻性，如下所示。

這些標(biāo)準(zhǔn)的代碼定義如下。在這種情況下，我們主要希望針對(duì)Contrast和 Total Power進(jìn)行優(yōu)化。均勻性的功能類似于對(duì)比度，兩者都希望眼盒上的輻照度均勻。盡管它們用于相同的目標(biāo)，但它們使用不同的定義，在這里我們考慮兩者。

Python代碼的最后一部分，如下所示，繪制了眼盒輻照度的結(jié)果及其卷積結(jié)果。然后導(dǎo)出圖片。這對(duì)于用戶直接在optiSLang后處理中檢查每個(gè)優(yōu)化系統(tǒng)的輻照度分布非常有用。

進(jìn)一步的設(shè)置詳解我們會(huì)在后續(xù)的文章中，進(jìn)行介紹。

審核編輯：湯梓紅