联合方案 | Ansys二维光栅出瞳扩展系统优化

以二维光栅耦出的光瞳扩展（EPE）系统优化与公差分析的仿真方法：专业技术深度解析

概述与准备工作

本文旨在探讨并展示了如何通过三个软件的整合，实现以二维光栅耦出的光瞳扩展（EPE）系统的设计与优化流程，以满足特定光学性能需求。本技术方案采用Lumerical构建精确的光栅模型，使用OpticStudio构建完整的出瞳扩展系统，并通过optiSLang软件控制系统的级优化，以达到整个出瞳扩展系统的光学性能目标。




软件与架构集成


Lumerical与OpticStudio的动态链接

在Lumerical中构建的光栅模型，通过RCWA（Rigorous CoupledWave Analysis）仿真，有效模拟了光波与光栅的相互作用。OpticStudio则作为系统集成的主要平台，构建了完整的EPE系统仿真模型。Lumerical与OpticStudio之间通过动态链接的方式相互通信，保证了光栅模型在系统级仿真中的精度与实时性。具体地，在OpticStudio中，通过Python节点动态链接到Lumerical，形成了一种流畅的工作流程，允许光栅模型的精确参数在系统优化过程中被实时调整与应用。

Python与optiSLang的优化链路

为了优化EPE系统实现所需的关键性能，Python脚本被用于自动获取系统数据并执行优化算法。这些脚本，如`EPE_2D_for_optiSLang.py`，通过OpticStudio Python节点链接到optiSLang优化平台。通过这种方式，系统参数能够根据预定义的优化算法动态调整，实现逐区优化光栅形状，以确保最终系统性能符合设计要求。这种集成使得优化过程更加灵活与高效，特别是在如何在Windows or Linux操作系统上高效部署与运行脚本的问题上提供了便利与指导。

系统构建与优化


系统设置：Lumerical的二维光栅模型与动态链接

打开包含ZAR文件的附件时，Lumerical提取并设置光栅模型路径，建立耦入光栅与耦出光栅模型。耦入光栅采用二元光栅结构，保持固定不变，以确保系统的入射光学特性；耦出光栅则设计为具备进过Python参数控制的变体，每个区均具有独特的光栅形状，为系统优化提供基础定义。两个光栅模型均被动态链接到OpticStudio中，构建了完整的EPE系统仿真模型。

系统设置：OpticStudio的完整系统与优化目标

在OpticStudio环境中，构建了完整的EPE系统，包括准直光束的耦入、波导传输、以及与第二个光栅的耦合。通过优化系统设置，设定优化目标为眼盒接收面的均匀光强度分布与总功率传递，实现对系统性能的精准控制。特别地，OpticStudio中的眼盒设置被优化参数化，通过取反作镜像处理，确保了仿真结果的完整性和高效率计算。

优化细化及对比分析


参数定义与优化过程

在`EPE_2D_for_optiSLang.py`脚本中，明确了用于优化的变量，如长度、高度、旋转角度及网络传输效率等，每区光栅的参数由四个角的预设参数通过插值确定，由optiSLang控制逐步调整。Python脚本则在同一优化周期内，预先处理输入与后处理输出数据，实现自动化与灵活性的特点，提高了优化效率。

阶段N结果优化

优化开始于两个光栅模型的精确初始化，每一个光栅区域在共同的优化过程中被独立调整，旨在模拟光线在二维空间中的复杂路径与能量耦合。脚本代码通过优化算法计算出理想参数组合，优化过程的目标不仅是计算出均匀且高功率的光强度分布，还包含了对比度、总功率和均匀性的综合考量，形成了具有特定对比度与总功率且均匀分布在眼盒内的光强优化系统。

结论与结果展示

相关文章提及的John Wiley & Sons出版社出版的书籍与光瞳扩展系统性能优化、Lumerical、OpticStudio、optiSLang的联合应用，有助于深入了解如何将理论与实践相结合，设计与优化高效率的二维光栅耦出的光瞳扩展系统。

通过本文所述的优化方法，开发人员能够精细化控制EPE系统的性能，满足AR系统、汽车投影灯解决方案、显示屏优化设计、HUD抬头显示器等场景的特定需求。采用的这一集成方法所展现出的灵活性、精确度以及自动化潜力，为未来光学系统设计与制造提供了宝贵的参考与实践经验。