简介 N=hSqw[
S6= \r{V
本文提出并演示了一种以二维光栅耦出的光瞳扩展（EPE）系统优化和公差分析的仿真方法。 =mDy@%yx!
cq- e
c7
在这个工作流程中，我们将使用3个软件进行不同的工作 ，以实现优化系统的大目标。首先，我们使用 Lumerical 构建光栅模型并使用 RCWA 进行仿真。其次，我们在 OpticStudio 中构建完整的出瞳扩展系统，并动态链接到 Lumerical 以集成精确的光栅模型。最后，optiSLang 用于通过修改光栅模型来全面控制系统级优化，以实现整个出瞳扩展系统所需的光学性能。 F %w\D9+P
Rc;1Sm9\
本篇文章将分为上下两个部分。（联系我们获取文章附件） 2pVVoZV.<
8/Lu'rI
概述 Iwnj'R7 :
*' kC8 ZR5
我们将首先在 Lumerical 和 OpticStudio 中构建仿真系统，它们是动态链接的。 Ky =(urAd
|p'_k(z }
然后，OpticStudio 通过 Python 节点链接到 optiSLang 进行优化，如图1所示。 `[w }hFl~q
o}5'v^"6 ,
H57jBD
V Gq{y{(
图1 Lumerical 通过动态链接到 OpticStudio，OpticStudio 通过 Python 节点链接到 optiSLang，优化由 optiSLang 控制。 [~zE,!
.N?|t$J
如图 2 所示，EPE 系统包括两个用于耦入和耦出的光栅。耦出光栅分为几个区，如左侧所示。每个区都将经过优化，以具有不同的光栅形状。右图显示了光在 k 空间中的传播的变化情况。 qp H j 4
1c1e+ H
^!zJf7(+<>
c80"8r
图 2 光栅布局图以及光线在K空间的传播 D'U\]'.
"j *fVn
第 1 步：系统设置 （Lumerical） RlG'|xaT
m-Mh f;
打开附件中的 ZAR 文件时，两个光栅文件会被提取到设置的路径中。第一个光栅如图 3 所示，它是耦入光栅中使用的二元光栅。该光栅是固定的，在优化过程中不会改变。 PQr#G JG7
&lO Xi?&"
2b{@]Fp
ua6*zop
图 3 耦入光栅结构为二元光栅。 3hp
tP
t!+%g) @
第二个 .fsp 文件如图 4 所示，它是一个具有 7 个变量的平行四边形柱体。在优化期间，耦出中的每个区都将使用不同的变量组合集进行优化 。有关优化设置的更多信息将在优化设置部分中进行说明。 ?h>(&H jWV
]~4}(\u
EbHUGCMO
s.k`];wo
图 4 耦出光栅中的结构为平行四边形支柱。 :Kt{t46)
#t5JUi%in*
这两个.fsp文件都是用动态链接的形式在 OpticStudio 中用于模拟完整的EPE系统。 d#M?lS>
4AG&z ,[
第 2 步：系统设置（OpticStudio） 3R Y|l?n>
g[uE@Gaj&
如图5所示，在该系统中，准直光束入射到耦入光栅上，通过波导传播，并与第二个光栅耦合。眼盒位于第二个光栅的较远部分。优化的目标是优化眼盒接收的均匀性和总功率。 :$) aME q
)%-\hl]
:6HiP&<
Y6[] wUJ
图 5 初始EPE系统和眼盒辐照度。 $n_sGr
am) J'i,
在附件中有一个 OpticStudio 中建立的整个EPE系统的 zar 文件。如图 6 所示，仅构建了第二个光栅一半的区域。这是因为系统具有对称性。从图 7 可以看出，探测器的参数镜像设置为 1，这意味着在光线追迹期间，将始终对-x和+x部分进行镜像。这样一来，我们可以只用一半的光线获得相同的模拟结果。 DVeF (Y3&
btkMY<o 7
<3J=;.\6
AmrJ_YP/t~
图 6 OpticStudio 中的 EPE 系统设置。 8k*k
J}93u(T5
\f<thd*bC
xq#]n^
图7 探测器的镜像参数设置为 1，这意味着该探测器在 x 方向上镜像。 _YD<Q@
[j mAMF<F
可以看出， 系统中的所有光栅物体都已使用动态链接 DLL 进行设置，如图 8所示。 {BwN4r46
pB{ f-M:D
PT= 2LZ
1dXO 3hot
图 8 为 EPE 系统中的光栅加载动态链接 DLL。 _ 3-,3ia
r.W"@ vc>
第3步：优化设置（optiSLang） 0[3tW[j
`04Y ;@w
3-1.Python 用于评估系统 Av[|.~g
'j =PbA
附件中包含了一个 python 文件 EPE_2D_for_optiSLang.py，用于将 optiSLang 链接到OpticStudio。使用python代码将 Ansys optiSLang 附带的优化器与求解器Ansys Zemax OpticStudio + Ansys Lumerical 链接非常有用。优势在于可以在每个优化周期中进行数据的预处理跟后处理，灵活性非常高。本章节会对代码结构进行解释。 Lu u-c<*M
'TEwU0<%
代码的基本结构首先由 OpticStudio 中的按钮生成，如图 9 所示。 r >D[5B
{ U2| ):
图 9 生成 Python 交互式扩展代码的样板。 LVz%$Cq,0
g^|_ X1{
:O_<K &
5ju CeG+Z
另外几个模块被导入到样板中。模块 numpy，scipy 用于对来自眼盒的辐照度数据进行后数据处理。模块matplotlib用于在眼盒上绘制和导出辐照度以供以后查看。导入 time 和 random 模块，以便计时器跟踪计算时间。 FCw
VVF0 y
A&@j A5Jb
{ Rh+]=7
通过尝试读取变量 OSL_WORKING_DIR，我们可以知道这个 Python 代码是由 optiSLang 调用还是手动调用。当 optiSLang 调用 Python代码时，将创建一些称为环境变量的变量来传递一些 optiSLang 信息。即使这些变量未在 Python 文件中定义，当 optiSLang 调用代码时，它们是可用的。
19.!$;
v \L Ip
6CzvRvA*P
,_7tRkn
在这个 Python 代码中，有32个变量，如 clen1、h2、rot4、w1 和 power，用于优化，需要由 optiSLang 定义。我们会将这些变量设置为 optiSLang 中的参数，在灵敏度分析或优化时，optiSLang将自动改变它们的值。如果我们不是从 optiSLang 直接运行这个 Python 代码，那么这些变量的值将是常量，如下面的代码所示。 KfI$'F
#"/
j^R~ Lt4
-_H2FlB
1Y"y!\t7G
如图10所示，每个区的光栅参数是通过预设的4个角的数据通过插值来确定的。其中 ν 是 dC、dR、dL、θC、θR、θL 、h ，n 是 1，2，3，4，对应于 4 个角。通过这个公式，每个区上的7个光栅参数可以通过具有一定权重（wn）和非线性值（p）的4个角的参数来控制。 ]q\=
#' {PY r
(\[ !,T"[
%nK 15(
E*#60z7 F
_J$p <
图 10 从 4 个角插值的各个区的参数计算。 5=;I| l,
f 0s<Y
optiSLang 按照预定义的优化算法改变这些参数。不同的参数值被设置到 python 代码中，这将进一步设置 OpticStudio 中每个光栅块的参数。在这个过程中，Python代码扮演着将这些变量转换为 OpticStudio 中精确参数的工作。只有当我们使用 optiSLang 而不是 OpticStudio 中的内置优化器优化系统时，这种预数据处理才有可能。通过这种方式，optiSLang 可以根据一些未直接暴露在OpticStudio UI中的虚拟或高级变量来优化系统。 K,T]Fuy
d3q/mg 5a
设置参数后，我们使用以下代码段追迹光线。 &JzF
QRc=-Wu_(
ri_6 wbPp
b|C,b"$N0
使用 optiSLang 优化系统的另一个好处是数据后处理。在这个优化过程中，我们不会直接优化眼盒上的辐照度分布。我们首先使用瞳孔函数对辐照度分布进行卷积，如图11所示，然后将优化目标设置为该卷积结果的均匀性。这个结果的x和y轴可以解释为人眼在眼盒中的偏移。z轴是人眼看到的平均辐照度。 #esu@kMU`
J}` $WL:
7'l{I'Z
[,V92-s;N
iPi'5g(a
p!5JO4F$
图 11 使用瞳孔函数对辐照度分布进行卷积. -O q=J;
Q,+*u%/u
根据卷积结果，我们可以计算对比度 、总功率和均匀性，如下所示。 qSs^}eN
LFry?HO,D
T;e (Q,!H
+c2=*IA/
这些标准的代码定义如下。在这种情况下，我们主要希望针对 Contrast 和 Total Power 进行优化。均匀性的功能类似于对比度，两者都希望眼盒上的辐照度均匀。尽管它们用于相同的目标，但它们使用不同的定义，在这里我们考虑两者。 BN> $LL
C=f(NpyD6
MnsWB[
YedipYG9;
Python 代码的最后一部分，如下所示，绘制了眼盒辐照度的结果及其卷积结果。然后导出图片。这对于用户直接在 optiSLang 后处理中检查每个优化系统的辐照度分布非常有用。 W}i$f -K
> ]N0w
wEn&zZjx
[==Z1Q;=
进一步的设置详解我们会在后续的文章中，进行介绍。
