Zemax & Lumerical | 二维光栅出瞳扩展系统优化

二维光栅耦出光瞳扩展系统优化与公差分析的仿真方法研究


概述

本文聚焦于一种创新的集成仿真方法，旨在优化二维光栅耦出的光瞳扩展（EPE）系统，以此提升系统整体性能。该方法以集成多个专业软件为路径，从Lumerical构建光栅模型和使用RCWA（Richardson（C）VoigtWelchAbraham）进行光波模拟，到OpticStudio中构建完整的出瞳扩展系统，进而连通至optiSLang进行系统级优化与公差分析。此流程不仅使优化过程高效，且涵盖多方面技术，旨在实现对光学性能的全面调控。




三维流程解析


第一阶段：模型构建与光波仿真


使用 Lumerical 进行光栅建模与 RCWA 仿真

Lumerical 被用以生成精确的二维光栅模型，并通过 RCWA 合理仿真出在特定频率下的光波波形，提供后续步骤的基础和精准参数。

第二阶段：出瞳扩展系统仿真


OpticStudio 中的系统搭建与精确光栅集成

在 OpticStudio 环境中构建完整出瞳扩展系统模型，通过动态链接 Lumerical 光栅模型实现系统的精确模拟。系统仿真包括准直光束依次通过耦入光栅、波导以及耦出光栅，并聚焦于眼盒性能评估。

第三阶段：系统级优化与公差分析


optiSLang 的集成与优化算法应用

借助 optiSLang，系统实现优化操作。使用 Python 文件 EPE_2D_for_optiSLang.py 链接 OpticStudio，提出随机或灵活参数调整，实现指标如对比度、总功率与均匀性的优化，旨在有效控制整个 EPE 系统的光学性能。

图例与仿真系统关键参数


光栅布局与光线传播可视化

光栅结构布局：细分为耦入与耦出光栅，耦出光栅采用分区分优化策略，显著影响光线在 k 空间的传播特性（见图2）。

系统设置详解

耦入与耦出光栅结构：耦入光栅为二元光栅类型，具有固定结构；耦出光栅则分区域，每个区域单独优化（图3、图4）

系统配置与动态链接：所有光栅对象均通过动态链接 DLL 在系统中加载，确保一致性与精确性（图8）。

Python 代码解析

读取与调用：代码能展示 read 和 call 到调用环境变量的方式，用于解码 optiSLang 信息。

优化参数：32个参数（如 clen1、h2、rot4、w1 和 power）在 optiSLang 中动态调整，服务于优化流程。

参数计算与应用：每个区域光栅参数通过确定系数希腊字母 dC、dR、dL、θC、θR、θL 和 h，以及权重 WN 和非线性值 P 的四角数据来确定（图10）。

整体优化策略：优化过程中，使用瞳孔函数对辐照度分布卷积后，设置均匀性和对比度、总功率为优化目标（图11）；标准代码定义包涵如何计算对比度、总功率和均匀性（表1，图12）。

结语

通过这一集成的优化过程，本文提出的方法不仅实现了对虚构二维光栅耦出的出瞳扩展系统的高效、精准仿真，更划分了从模型建立、系统仿真到优化分析的全面流程。这种方法集合了 Lumerical 的高精度波仿真、OpticStudio 的复杂系统构建、以及 optiSLang 细致的优化功能，展现出在光瞳扩展系统优化与公差分析领域的应用潜力。进一步的流程细节和高级优化方法将在后续文章中阐述，为我们提供了深入了解这一领域技术路线与实际应用的窗口。
本文旨在为专业领域内的研究者和工程师提供一个开创性的技术参考，不仅展示了一种新颖的系统优化方法，也为相关软件应用提供了实际案例研究。随着光学技术的不断进步，这种集成仿真方法有望引领具体优化实践与理论研究的前沿，在实际工程中发挥积极影响。