使用全像元件建立擴瞳光波導 (Exit Pupil Expansion)

  • 29 October 2021
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在下面的文章中,我們介紹了如何建立一個使用表面浮雕光柵(SRG)的EPE裝置。然而,這文章的內容其實對全像光柵並不適用。

How to simulate exit pupil expander (EPE) with diffractive optics for augmented reality (AR) system in OpticStudio: part 1

OpticStudio目前內建使用的Kogelnik模型不能用於EPE波導系統。下面我們將解釋原因並提供一個變通的辦法,以及對應使用的DLL。

注意這裡介紹的方法是基於一些假設的,因為本身一定會存在一些不確定性。下面會一併解釋。

在Kogelnik的方法中,它假設全像底片的材料本身及其環境的折射率是相同的。即使在全像條紋形成後,平均折射率仍是相同的。

 

但問題就在這裡,實際上,我們的全像材料是塗在一個基板上的,基本有自己的折射率,而材料的另一個可能是另一個基本或直接接觸到空氣。總之折射率不可能一樣。

 

在這種狀況下,我們可以想像,光線在進入全像材料時,會先需要考慮折射,進入到全像區域,接著在全像區域內發生繞射,然後這些光線離開時,又要再經歷一次折射。

注意這個模型主要是幫助理解,實際發生的狀況是光在這邊有複雜的干涉行為。但是這個模型大致上正確,很適合拿來解釋。

依照剛剛說的方式運作,我們很快可以發現,在一些條件下,光線是可以被TIR而無法離開全像區域的。問題就是這個現象在Kogelnik方法中是沒有定義的,我們沒有一個非常理論化的方法去計算此時的繞射效率應該如何。

 

注意不只是反射式全像,穿透式也會發生這個問題。

 

另外不只是零階光,一階光也是會有這個問題。

在附件的檔案中,我們用了兩個假設去加強Kogelnik方法的適用性。這兩個假設為

  1. 如果一階繞射光不存在,則所有能量被零階光帶走。
  2. 如果零階光遇到TIR,那就走反射方向。

模擬的結果如下:

打開ZAR後,相應的DLL會被自動解壓縮到對應的資料夾。

注意這個DLL有一些限制,如下:

  1. 他是基於假設的,所以理論上有一些不確定性。
  2. 必須訂閱版授權才能使用。
  3. 這個DLL只能用在OpticStudio 21 或 22 版。

如果有更多關於全像模擬的問題可以參考下面的文章。

Simulating diffraction efficiency of a volume holographic grating using Kogelnik’s method


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