這是介紹 k空間概念並討論如何計劃出瞳擴大器設計的三篇文章的第一篇。

擴增實境（AR）不再僅僅用於遊戲。真實環境的精確模擬對於包括醫學領域在內的多種工作環境也可能是有益的。 AR使醫生能夠更好地向患者解釋疾病或治療方法，並在規劃（在某些情況下執行）手術和療法中發揮作用。有些人使用DNA測試結果的3D可視化或查看患者記錄以進行快速分析和診斷，從而邁出了一步。該技術還可以在教室中使用，透過使用交互式3D解剖模型來訓練醫學生。對於醫療銷售，虛擬體驗的使用可以快速展示其設備。

但是，為了使AR設備有效，系統必須準確地模擬提議的環境或對象，從而使其對用戶來說盡可能逼真。 Zemax OpticStudio為光學工程師提供了有效，高效地設計AR設備所需的工具。

在本文中，我們將討論在OpticStudio中為擴增實境（AR）系統設置出瞳擴大器（EPE），包括對k空間中的光柵規劃（光學動量）的概述，並介紹如何設置每個光柵都使用RCWA工具。

出瞳 (EPE) 擴大器

對於創建這些設備的光學工程師來說，出瞳擴展（EPE）是基於波導的AR系統中用於提高光學性能的常用技術。在理想的AR系統中，設計應允許來自每個視場的光束在出射光瞳處或光線從設備出射的地方重疊，以便人眼可以更好地接收完整圖像。透過正確安排系統中的所有元素，這會導致出瞳擴大，因此該結構通常稱為出瞳擴大器（EPE）。使用EPE，來自每個視場的光可以在應該放置眼瞳以查看整個圖像的區域重疊。

規劃光柵週期與方向

AR在虛擬環境中模擬現實世界的體驗。為了準確地創建真實世界的展現，AR系統需要了解模擬環境，這可以透過使用k空間中的坐標系來完成。重要的是規劃光柵的佈置，以最有效的方式耦合進/出並在波導中旋轉光束。在k空間中，可以直觀地看到光束的傳播和光柵的效果。這有助於設計人員理解並更好地為最終用戶以及光柵創建圖像性能，從而最終使圖像對人眼可見。

Zemax OpticStudio允許用戶在內部設置真實的光柵形狀並實時進行模擬。在其他解決方案中，此過程通常需要在兩個軟體程式中完成，並且需要靜態數據交換。

在此範例中，我們為EPE使用簡單的二進位光柵。根據製造方法的能力，它可以是傾斜的或任何其他形狀。

在我們的特定情況下，我們使用三個光柵來構建EPE，然後將來自空氣的光線耦合到波導，將光線的方向轉向波導內部，然後將來自波導的光線耦合回空氣。

在使用k空間時，請記住，它只能描述每個光柵如何改變光線的傳播方向。它沒有描述光柵應如何放置在波導上。

• 第一個光柵用於將視場（FOV）移動到全內反射（TIR）區域，在該區域中光被反射到材料中。

• 第二個光柵用於將光線的傳播方向旋轉90度。

• 第三光柵類似於第一光柵。它的周期與第一光柵相同，但方向應相對於第一光柵旋轉90度。

請繼續關注本系列的第2部分和第3部分，以學習構建帶有波導和三個光柵的出瞳擴大器系統的後續步驟。我們將討論如何模擬足跡圖和圖像。圖像模擬為Zemax OpticStudio獨有，Zemax OpticStudio是目前唯一能夠創建此視圖的程式。

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作者: 

鄭翰翔, Zemax 资深光学工程师