增強現(xiàn)實（AR）眼鏡使用戶能夠在現(xiàn)實世界的環(huán)境中疊加數(shù)字圖像，可廣泛應(yīng)用于教育、醫(yī)療、導(dǎo)航、游戲和娛樂等領(lǐng)域。為了設(shè)計更輕巧的AR眼鏡，利用超緊湊的衍射光波導(dǎo)元件成為其中一種具有潛力的方案，其中關(guān)鍵設(shè)計包括擴瞳光柵（EPE）與光波導(dǎo)耦合光柵（Coupler）。新思科技的波動光學(xué)軟件RSoft可以用于各式光波導(dǎo)耦合光柵與擴瞳光柵的設(shè)計和開發(fā)，仿真分析光柵性能及衍射行為，并且可以將分析結(jié)果與幾何光學(xué)工具LightTools整合進行AR眼鏡的光學(xué)系統(tǒng)分析與優(yōu)化。本文重點介紹在RSoft中進行光柵仿真/設(shè)計的流程如下 ：

第一步：建立模型（Structure modeling）

RSoft CAD可以創(chuàng)建各種光柵結(jié)構(gòu)，包括表面浮雕光柵（SRG）、體積全息光柵（VHG）和偏振體積光柵（PVG）。通過Symbols功能，可以輕松地將模型的幾何尺寸、數(shù)學(xué)公式和設(shè)定內(nèi)容參數(shù)化，并提供各向異性（Anisotropic）和色散（Dispersion）材料特性設(shè)置選項。

SRG：Segment功能非常適合用于建立光柵結(jié)構(gòu)的幾何外形，并可通過Symbol建立設(shè)計參數(shù)間的聯(lián)動關(guān)系。

VHG：User Profile功能能以數(shù)學(xué)公式描述空間中折射率的變化，高自由度的分布變化可用來建立模型。

PVG：Crystal功能可以方便地定義晶軸在空間中的方向，也可以使用Anisotropic user profile直接定義空間中折射率的變化。

第二步：仿真分析（Simulation）

RSoft DiffractMOD RCWA為周期結(jié)構(gòu)計算的專用算法，對于大部份的周期性結(jié)構(gòu)計算具有很高的效率，能夠快速計算出光柵各個穿透/反射衍射階的效率、角度與偏振狀態(tài)。

RSoft FullWAVE FDTD同樣提供周期性邊界條件，也可以用于周期性光柵的計算，可稱為最嚴(yán)謹(jǐn)?shù)牟▌庸鈱W(xué)分析工具，支持非線性網(wǎng)格（Nonuniform mesh）與集群計算（Clustering）能夠減少計算所需的時間。

上述兩種算法可在RSoft中自由切換，無需重復(fù)建模即可挑選最適合的計算方式。

第三步：掃描與優(yōu)化 (Scan & Optimization)

通過Symbols設(shè)定的參數(shù)化光柵模型可以直接通過MOST進行參數(shù)掃描，并自動輸出設(shè)計參數(shù)與光柵性能的圖表，使用者可以根據(jù)掃描結(jié)果找出符合設(shè)計需求的參數(shù)范圍。MOST中提供包括區(qū)域和全域的多種優(yōu)化算法來針對特定目標(biāo)進行參數(shù)優(yōu)化，優(yōu)化目標(biāo)可由分析結(jié)果中指定或可自行定義評價函數(shù)，也可以通過Python編碼來定義分析流程與評價函數(shù)，以滿足設(shè)計上的各種需求。

第四步：輸出表面特性檔案（Output BSDF）

設(shè)計完成的光柵可以通過RSoft BSDF Utility輸出成參數(shù)化的表面特性檔案，在LightTools內(nèi)布局后進行AR眼鏡光學(xué)系統(tǒng)的整體分析，并且因為衍射光柵在LightTools中以參數(shù)化的表面特性呈現(xiàn)，因此可以在LightTools內(nèi)對光柵設(shè)計進一步優(yōu)化，以獲得最佳的整體效率與均勻性。

總結(jié)

單一光柵設(shè)計非常適合使用RSoft進行，因為其算法能夠完整仿真波動光學(xué)特性?？梢酝ㄟ^靈活的建模方式和完整的材料特性定義來建立各種光柵模型，并且可以自由切換使用RCWA或FDTD算法以滿足不同的分析需求，從而使仿真分析更加高效。此外，還可以進一步利用掃描和優(yōu)化功能幫助設(shè)計者探索設(shè)計參數(shù)或進行優(yōu)化。在考慮系統(tǒng)中存在多個光柵時，可通過RSoft BSDF工具將設(shè)計好的光柵元件以參數(shù)化BSDF方式輸出，然后在LightTools內(nèi)進行光學(xué)系統(tǒng)的整體仿真與優(yōu)化。