光波导新突破 | 基于混合光线波前追迹法的国产AR光波导设计模块

面向 AR 近眼显示的衍射光波导，涉及二维光栅布局、跨尺度耦合仿真与多参数协同优化，是一项工程化门槛较高的研究课题。然而，国内面向光波导的自主设计工具长期缺位，研究人员常常需要在多个软件间切换拼装工作流，整体设计效率与仿真精度都受到制约。

为填补这一空白，本研究团队研发了一套自主可控的、基于混合光线波前追迹法的AR光波导设计模块。并在《激光与光电子学进展》（第 63 卷第 17 期）以"基于混合光线波前追迹法的可视化二维光栅光波导设计研究"为题发表相关成果。

OAS光学软件 光线传播分析图

研究团队使用 OAS 光学软件完成关键模块的搭建与方法验证，在自动布局、多参数协同优化与跨尺度一体化仿真等环节对工具链进行了实践检验。

相比既有商业工具，该模块面向 AR 光波导设计的实际需求，提供了直观的操作方式。它打通了从 k 域分析、光波导建模到全系统优化的技术链路，实现了跨尺度仿真，可将微型投影光机与人眼模型纳入统一优化流程，进行从宏观光学传播到微观光栅衍射的一体化仿真与可视化分析。

为直观验证设计显示效果，研发团队在中心视场角下利用该模块进行了全链路成像与辐照度仿真。仿真系统包含准直透镜（f=5 mm）、聚焦透镜（f=20 mm）及孔径比0.1的人眼光阑，以半宽1.06 mm的黑白九宫格图为光源。结果显示，辐照度从左向右平滑递减，上部略高，但整体均匀性较好，图像边界清晰，几何特征准确，满足AR显示基本要求。该波前到视觉的一体化模拟可为波导迭代提供数据支撑。

模拟成像

(a)软件仿真图；(b)原图；(c)模拟辐照图；(d)模拟成像图

基于该模块，团队设计了一款二维衍射光波导，其外形尺寸为50mm×40mm×1mm，实现了30°视场角、15mm×7mm的眼动范围，以及14mm的出瞳距离 。出瞳照度均匀性为51%–86%，视场均匀性为32%–50% 。像质分析结果表明，各视场下的点扩散函数（PSF）光斑尺寸较小、能量集中，调制传递函数在50cycles/mm空间频率处均大于0.5，模拟成像效果良好，满足增强现实光波导的基本光学要求。

二维k域分析

(a)二维衍射光波导平面级次传播分析图；

(b)二维衍射光栅不同级次的k矢量图。

不同视场角下的衍射MTF