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複雜光波導器件中控制MTF分析的精度和速度間的 |
| 時間:2023-09-23 15:36來源:未知作者: infotek點擊:次列印 |
摘要
在增強現實和混合現實應用（AR/MR）領域的波導器件的設計過程中，準確計算可實現的光學性能是其主要任務之一。除了空間和角度均勻性外，一個非常重要的量是調製傳遞函數（MTF），它可以評估最終器件的解析度能力。在本例中，我們指出了繞射和同調效應對計算得到的MTF精度的影響。我們會進一步說明，一個準確和快速的包含這些影響的計算需要在一個單一平臺上結合高度交互性的模擬技術。這也使使用者能夠無縫地控制複雜光學系統的精度和速度間的平衡。
任務說明書
任務：如何準確計算波導的MTF？需要考慮哪些影響？
模擬與設置：單平臺交互性
連接建模技術：光源
光源引擎模型
針對具有有限頻寬（時間同調性）的光源的可用建模技術：
在此設置中，有兩種不同的技術對光源建模，每種技術的優缺點將在文檔中討論。
建模技術的單平臺交互性
每束光束在複雜系統中傳播時都與不同類型的光學元件相互作用。因此，一個精確的模型需要演算法的無縫交互性，以便能夠處理以下出現的所有方面：
1. 光柵（耦入耦合器、光瞳擴展器、耦出耦合器）
2.自由空間（平板玻璃內傳播）
3. 平板玻璃表面的反射
4. 區域邊界（光柵邊界）
5. 探測器表面的反射（視野範圍均勻性測量）
6. 眼睛模型（PSF和MTF計算）
連接建模技術：光柵
週期性微奈米結構的現有建模技術：
作為一種嚴格的特徵模求解器，傅立葉模態方法（也稱為嚴格耦合波分析，RCWA）提供了非常高的精度。由於此設置的時間較小，計算速度較快。因此，FMM是提高準確性和速度的最佳折衷方案。
連接建模技術：波導板內部
可用的自由空間傳播的建模技術：
有兩種快速建模技術可用來計算平板玻璃內的傳播：
 傅立葉域技術（包括邊界和孔徑的繞射效應）
 幾何傳播（忽略了由邊界和孔徑產生的繞射）
為了選擇合適的技術，需要考慮計算結果！
連接建模技術：波導表面
與表面相互作用的可用建模技術：
有兩種建模技術可用於計算與表面的相互作用。
由於兩者計算速度都很快，並且“局部平面介面近似”允許我們考慮表面之外的其他情況（例如，對於公差分析），因此選擇了這種技術。
連接建模技術：區域邊界
與區域邊界相互作用的可用建模技術：
通過LPIA和FMM的局部應用，我們可以考慮與光柵區域邊界的相互作用。
光波導組件
建模技術1到4被結合在光波導組件中。有了這個元件，可以很容易地定義具有複雜形狀光柵區域的基於光柵的光波導系統。此外，這些區域可以配備理想的或真實的光柵結構（一維或二維週期）作為耦入耦合器、耦出耦合器或光瞳擴展器。
光柵區域
對於耦入耦合器、耦出耦合器和光瞳擴展器（EPE）都使用了真實光柵。利用FMM（RCWA）嚴格計算了它們的瑞利矩陣和相應的繞射效率。
連接建模技術：探測器視野範圍
波導內繞射：輻照度視野範圍
1. 光柵（耦入耦合器）
2. 自由空間（在平板玻璃內部傳播）
PSF和MTF計算：光瞳中的一束光束
PSF和MTF計算：光瞳中的多束光束
PSF 和 MTF 計算: 波導中的w/o繞射
PSF 和 MTF 計算: 波導中的w/o繞射
PSF和MTF計算：波導中的繞射
PSF和MTF計算：波導中的繞射
PSF和MTF分析——第2部分：時間同調性
PSF和MTF計算：頻率模型
為了嚴格地對光源的頻寬進行建模，必須對頻寬進行適當的採樣。採樣的頻率（或波長）必須分別通過系統傳播。這導致了更高的計算工作量和計算時間。
例如，在該應用中，具有高斯光譜（FWHM 10nm）的光源需要1pm的採樣。這導致了超過10000個模擬。或者，它足以用60個波長樣本（採樣距離同樣為1pm）對一個單獨的自由光譜範圍（FSR，60pm）進行建模。
高斯光譜（FWHM 10 nm）
PSF和MTF計算：頻率模型（w/o繞射）
PSF和MTF計算：頻率模型（具有繞射）
PSF和MTF計算：時域模型
另一種建模技術是分析單個波長（例如光譜的峰值波長）的傳播時間。通過比較傳播時間和同調時間（或長度），我們可以區分光是必須同調處理還是非同調處理。例如，10 nm的頻寬（FHWM）導致60.1 fs的同調時間和18.0µm的同調長度。
PSF和MTF計算：時域模型（w/o繞射）
PSF和MTF計算：時間模型（具有繞射）
總結&結論
瞳孔中的輻照度和MTF
瞳孔中的輻照度和MTF：模擬和測量
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