AR/VR 显示画质失真？OAS 体全息光栅案例来解决

简介

体全息光栅 (Volume Holographic Grating, VHG) 是一种基于全息技术的光学衍射元件，具有高衍射效率、窄带宽和优异的角度/波长选择性的特性，体全息光栅通过介质内部折射率调制来实现光波调控，具有更优的环境稳定性和光学性能。本文将介绍体全息光栅的工作原理、仿真设计和分析，再到体全息光波导的设计

1.体全息光栅的工作原理

体全息光栅主要涉及到光学干涉、光敏材料和波矢匹配等物理过程。对于干涉的记录过程，用于干涉的基准光波和携带记录信息的物光波在光敏材料中叠加形成干涉分布，光敏材料（如光致聚合物）在光照下就会有相应的光化学反应，并对其折射率进行调制，通常折射率调制幅度在0.001-0.1之间。

根据上述原理，OAS 软件则是可以通过定义物光和参考光及折射率的调制系数，以得到相应的体全息光栅的结构。体光栅相应设置和结构如下：

 

图1.1.根据数据生成体光栅ZX折射率分布

光栅波矢的方向取决于入射光的波矢，根据不同的光波参数可以调整体全息光栅对应的角度选择性和波长选择性。

在经过上述这样的一个干涉记录的过程，实际生产中通过曝光，然后进行显影漂白。软件中可以直接计算仿真出不同参数下的体光栅折射率分布，也可以模拟真实的曝光过程，使整体的模型和折射率空间分布更加接近真实的情况。

2.体全息光栅分析

体全息光栅作为关键的一个衍射光学元件，其性能会直接影响 AR 显示、光通信等应用的最终效果，包括体全息光栅衍射效率测量、角度和波长的选择性等评估。

对于上述参数生成的体全息光栅模型，如图1.2 所示，其在x方向的周期为507.61nm。软件中使用波长为640nm (体全息光栅的设计波长) 的平行光入射到体全息光栅上，通过软件测量其反射-1级衍射效率，对不同的入射角、波长以及入射光的偏振态进行相应分析，观察体全息光栅的物理特性。

下图为不同参数下的该体全息光栅的反射1级衍射效率：

（a）	（b）
（c）	(d)

图2.1 不同参数下图1.2 所示的体全息光栅反射-1级衍射效率（参考入射角为60°，波长为640nm）。

(a)p光入射下光栅衍射效率与入射角的关系 (在量化角度59.9°时最大为0.6924)；

(b)p光入射下光栅衍射效率与入射波长的关系 (设计波长640nm时最大为0.6822)；

(c)s光入射下光栅衍射效率与入射角的关系 (在量化角度59.9°时最大为0.9666)；

s光入射下光栅衍射效率与入射波长的关系 (设计波长640nm时最大为0.9658)；

由此可见体全息光栅对波长和角度的选择性，波长和角度的带宽精度，以及较高的衍射效率。对体全息光栅进行一定优化和光源合适的偏振态的选取后，体全息光栅的衍射效率目前最高可达到99.8%，通过未来的新型材料和更加精细的曝光工艺有望进一步逼近理论极限。

3.体全息光波导

体全息光栅具有高衍射效率、精密角度选择性和窄带宽特性，可以精准控制光的传播。相较于传统的表面浮雕光栅，体全息光栅体积小、重量轻，且具有更强的环境稳定性，并能通过渐变周期实现均匀出瞳扩展，是AR/MR波导设计中的理想选择。下列展示的体全息光波导系统的传输效率可达到82.86%

    

图3.1 OAS体全息光波导结构示意图

软件优势

对于传统的BSDF衍射光波导的仿真，需要花费大量的时间成本以及硬件需求来保证前期光栅结构的BSDF数据库的丰富性和准确性，后续系统仿真过程中也需要花费时间进行BSDF的数据匹配，并且也难以实现跨物理场的优化。但是在OAS光学软件中，可以在系统级别下同时分析几何场的传播和物理场的计算，可以实现跨尺度、跨物理场的分析和优化。大大提升仿真的速度和准确性。

总结

本文介绍了体全息光栅的工作原理和OAS软件对体全息光栅的建模与分析，并将体全息光栅应用在光波导系统中，展现了软件在系统设计的全面性与跨尺度计算的优势。