Speos案例 | 基于Speos的衍射波导AR风挡HUD系统仿真解决方案

引言在增强现实（AR）技术飞速发展的当下，波导式AR显示设备因兼具紧凑性与宽视野优势，成为行业研发的核心方向。而眼动范围（Eyebox）的照度均匀性，直接决定了用户的沉浸式视觉体验，是波导式AR显示技术突破的关键痛点。天津大学团队在《Optics Express》发表的研究中，提出基于随机掩模光栅（RMG）的L型光栅波导设计方案[1]，成功在20°×15°视野范围内实现全视野眼动范围均匀性均大于0.78的优异效果。而在这一创新研究的成像质量验证环节，Zemax软件凭借强大的光学仿真能力，成为验证随机掩模光栅成像性能的核心工具，为AR光栅波导的设计与优化提供了精准的技术支撑。AR光栅波导的眼动范围均匀性难题AR技术自上世纪60年代问世以来，已广泛应用于军事、娱乐、医疗、教育等多个领域。其中，光栅波导因能通过出瞳扩孔器（EPE）实现大视场、大眼球盒，成为近眼AR显示的主流技术方案。但在实际应用中，光栅波导的出瞳扩展过程中，未衍射光的能量会逐渐衰减，导致眼动范围内的空间照度均匀性变差——用户眼球转动时，虚拟图像的亮度会出现明显波动，严重影响视觉体验。为解决这一问题，行业内先后提出多种优化方案：如对称双目波导系统、分区域设计衍射效率光栅、考虑多视场的衍射效率优化等。但这些方案均存在明显短板：部分方案仅优化中心视场，边缘视场均匀性不佳；部分方案需迭代计算衍射效率分布，计算效率低下；还有部分方案要求设计复杂的光栅子结构，大幅提升了制造难度，难以实现产业化应用。实现全视野范围内的高眼动范围均匀性，同时兼顾设计效率与制造可行性，成为AR光栅波导技术发展亟待突破的核心问题。随机掩模光栅（RMG）的创新设计思路针对传统方案的不足，天津大学团队提出了以随机掩模光栅（RMG）为折叠光栅和出耦合光栅的L型光栅波导创新设计，从原理上简化了光栅波导的设计流程，同时实现了全视野的高眼动范围均匀性。核心原理：不变光栅结构，调控掩模填充因子与传统方案通过修改光栅结构实现衍射效率分布调控不同，随机掩模光栅的核心创新点在于：保持单个光栅的结构不变，通过调整掩模的填充因子（光栅结构存在概率，PGS）实现等效衍射效率的精准调控。随机掩模光栅被划分为众多方形单元，每个单元中光栅结构的存在与否呈随机分布，而整个光栅的物理结构保持一致。沿出瞳扩展方向逐步提高光栅结构的存在概率，即可实现衍射效率的梯度分布，其效果与传统多子区域光栅一致，但无需设计多种光栅结构，大幅降低了设计与制造难度。图1 （a）传统多子区域光栅；（b）随机掩模光栅（RMG）理论分析：解析解推导衍射效率分布团队基于经典L型光栅波导模型，对水平和垂直方向的出瞳扩展过程进行了详细的理论分析，通过微分方程推导得出满足照度均匀性条件的衍射效率分布解析解：1.折叠光栅（水平EPE）：仅考虑零级和-1级反射衍射，推导得出-1级衍射效率的双变量分布函数，实现水平方向眼动范围均匀性调控；2.出耦合光栅（垂直EPE）：考虑零级、-1级、-2级衍射的能量损耗，通过简化微分方程，得出零级衍射效率的分布解析解，实现垂直方向均匀性调控。该设计通过将衍射效率分布拆解为角度相关项与空间相关项的乘积，利用随机掩模光栅的填充因子调控空间相关项，光栅结构调控角度相关项，实现了全视野、全方向的衍射效率精准匹配。图2 传统的L形光栅波导系统。（a）波导结构示意图；（b）K空间分析图图3 基于RMG的L型光栅波导布局图光栅优化：RCWA结合PSO的精准设计为实现理论推导的衍射效率分布，团队采用严格耦合波分析（RCWA）结合粒子群优化（PSO）算法，对折叠光栅、出耦合光栅及入耦合光栅的结构进行了优化设计：1.确定光栅核心参数：选用532nm波长，HOYA-FD60W玻璃为波导基底（折射率1.817），波导厚度1mm，入耦合光栅、折叠光栅、出耦合光栅周期分别为440nm、311nm、440nm；2.子区域划分：将折叠光栅（30mm）分为15个水平子区域，出耦合光栅（18mm）分为9个垂直子区域，设置填充因子下限0.3，避免眼动范围局部无光照；3.结构优化：光栅采用梯形结构（可通过纳米压印技术批量制造），镀TiO₂膜层使衍射效率曲线更平滑，通过PSO算法优化光栅深度、膜层厚度、形状参数等，使光栅衍射效率与理论解析解高度匹配。优化后的入耦合光栅为锯齿形结构，镀银层后非偏振光平均衍射效率达0.747，为整个波导系统提供了高效的光耦合能力。图4 （a）入射耦合光栅结构示意图；（b）入射耦合光栅衍射耦合效率Zemax精准验证随机掩模光栅的成像性能在随机掩模光栅的设计中，掩模的随机分布是否会影响成像质量，是方案可行性的关键验证点。该团队采用Zemax搭建仿真模型，对随机掩模光栅的成像性能进行了系统验证，为方案的可行性提供了精准的仿真数据支撑。Zemax仿真模型搭建团队在Zemax中构建了模拟人眼的成像系统：采用直径3mm、焦距23mm的理想透镜模拟人眼光学系统，在光路中加入填充因子（PGS）为0.3的随机掩模光栅，模拟实际应用中随机掩模光栅对成像的影响。核心仿真指标：调制传递函数（MTF）调制传递函数（MTF）是评价光学系统成像清晰度的核心指标，反映了系统对不同空间频率细节的传递能力。团队通过Zemax仿真，获取了不同像素尺寸（0.2mm、0.3mm、0.4mm、0.5mm）下随机掩模光栅的MTF曲线，并与无掩模的衍射极限MTF曲线对比。图5 （a）带有随机掩模的成像系统；（b）中心场的MTF曲线仿真关键结论Zemax的仿真结果显示：当随机掩模光栅的像素尺寸为0.2mm时，其MTF曲线在空间频率低于40lp/mm时与衍射极限高度重合，即使在100lp/mm的高空间频率下，MTF值仍大于0.61。而100lp/mm的空间频率对应20°×15°视野下1600×1200的分辨率，完全满足AR近眼显示的视觉要求。这一结果充分证明，随机掩模光栅的随机分布对成像质量的影响在可接受范围内，为该设计方案的实际应用奠定了重要的成像性能基础。系统仿真：多软件联合验证方案可行性在完成光栅结构设计与Zemax成像性能验证后，团队采用Lighttools与Rsoft软件搭建了完整的L型光栅波导系统仿真模型，对全系统的眼动范围均匀性、能量效率进行了全面验证，同时结合Zemax的成像仿真结果，形成了“设计-成像验证-系统验证”的完整仿真流程。仿真模型构建1.利用Rsoft软件的RCWA功能，生成折叠光栅、出耦合光栅、入耦合光栅的双向散射分布函数（BSDF），精准描述光栅的衍射特性；2.在Lighttools中搭建L型光栅波导的三维模型，导入Rsoft生成的BSDF文件，设置波导的全内反射（TIR）条件，模拟光在波导中的传播、耦合、出瞳扩展过程；3.考虑光的偏振特性，采用9点法评价眼动范围均匀性：在16mm×12mm的眼动范围内均匀选取9个3mm×3mm的区域，计算各区域的平均照度，通过公式计算空间均匀性。图6 （a）Lighttools中搭建的L形光栅波导模型；（b）九点法示意图核心仿真结果1.眼动范围均匀性：在20°×15°的全视野范围内，所有视场的眼动范围均匀性均大于0.78，中心视场均匀性更是超过0.84，远优于传统设计方案，能为用户提供无亮度波动的沉浸式视觉体验；2.全视野均匀性补充验证：采用3mm×3mm卷积核对整个眼动范围的照度分布进行卷积分析，以P5/P95值评价全视野均匀性，结果显示所有视场的P5/P95值均大于0.66，验证了全眼动范围的照度均匀性；3.能量效率：全系统的能量效率为0.03~0.07，虽受多次衍射效应影响存在一定能量损耗，但可通过优化光栅结构进一步提升，且在均匀性优先的设计目标下，该能量效率处于可接受范围。图7 卷积后中心区域的照度分布仿真结果充分验证了基于随机掩模光栅的L型光栅波导设计方案的可行性，实现了“全视野、高均匀性、易制造”的设计目标，而Zemax作为成像性能验证的核心工具，为该方案的落地扫清了成像质量的关键障碍。Zemax：AR光学设计的关键工具从本次天津大学团队的创新研究，到全球AR/VR行业的技术发展，Zemax软件始终作为关键光学仿真工具，为各类新型光学结构的设计、验证、优化提供全方位的技术支撑。在AR光栅波导设计领域，Zemax的核心优势体现在：精准的光学建模：支持光栅、波导、自由曲面等多种新型光学元件的建模，可精准模拟光在复杂光学系统中的传播规律；全面的成像评价：提供MTF、畸变、照度均匀性、点列图等丰富的成像质量评价指标，满足AR近眼显示的高精度成像验证需求；高效的优化能力：支持多种优化算法，可结合实际设计目标对光学系统进行快速优化，大幅缩短研发周期；良好的兼容性：可与Lighttools、Rsoft、Matlab等软件无缝衔接，实现“光栅设计-系统仿真-算法优化”的一体化流程，适配前沿光学研究的复杂需求。Ansys官网参考仿真案例：https://optics.ansys.com/hc/en-us/articles/42661745411859-How-to-simulate-exit-pupil-expander-EPE-with-diffractive-optics-for-augmented-reality-AR-system-in-OpticStudio-part-1https://optics.ansys.com/hc/en-us/articles/42661829809043-How-to-simulate-exit-pupil-expander-EPE-with-diffractive-optics-for-augmented-reality-AR-system-in-OpticStudio-part-2https://optics.ansys.com/hc/en-us/articles/42661798799251-How-to-simulate-exit-pupil-expander-EPE-with-diffractive-optics-for-augmented-reality-AR-system-in-OpticStudio-part-3https://optics.ansys.com/hc/en-us/articles/42661810986003-How-to-simulate-exit-pupil-expander-EPE-with-diffractive-optics-for-augmented-reality-AR-system-in-OpticStudio-part-4参考文献：[1] Wu Y, Pan C, Lu C, Zhang Y, Zhang L, Huang Z. Augmented reality display with high eyebox uniformity over the full field of view based on a random mask grating. Opt Express. 2024 May 6;32(10):17409-17423. doi: 10.1364/OE.521992. PMID: 38858925.来源：摩尔芯创