[发明专利]一种基于RCWA的偏振体光栅衍射光线追迹仿真系统及方法

说明书

本发明公开了一种基于RCWA的偏振体光栅（PVG）衍射光线追迹仿真系统及方法。本发明利用RCWA分析理论，将各向异性周期性光栅结构展开为傅里叶级数，利用边界条件求解出入射光线的衍射特性，然后结合蒙特卡罗方法对光线追迹算法进行优化，提高了仿真精度和运算速度。该模型能够快速计算给定参数下光栅的衍射特性，包括衍射级次、传播方向、衍射效率、偏振态分析，具有很好的移植性，通过动态链接库（DLL）能够应用于商用光学仿真软件ZEMAX，实现光线追迹仿真。

技术领域

本发明涉及一种基于RCWA的偏振体光栅衍射光线追迹仿真系统及方法，属于光通信技术领域。

背景技术

近年来，近眼显示技术受到市场的大量关注，其中应用于增强现实(AR)的全息波导显示技术取得了巨大进步，获得了国内外的广泛关注。为了实现高性能的纤薄设计，以光栅为代表的衍射光学元件(DOE)，作为波导近眼显示器的耦合元件已被广泛采用和研究。近年来，相关科研人员提出了一种偏振体光栅(PVG)，如图1所示，该光栅通过将液晶分子沿着二维方向的周期性旋转而具有二维各向异性周期性，保留了体全息光栅(VHG)的高效单级衍射特性，具有较大的角带宽，且对入射光线的极性具有选择性，这些特性能够赋予近眼显示全息波导系统更大的设计优化维度。实验表明，该光栅作为新型衍射元件可以实现全息波的全彩色近眼显示。为了将PVG应用于近眼显示，实现近眼显示成像的优化，在光学成像系统设计过程中对PVG及其衍射效率的模拟至关重要。

目前国内外研究机构采用COMSOL Multiphysics的有限元法对复杂结构光栅的衍射特性进行仿真，这种方法能够实现高精度的数值仿真，然而COMSOL没有系统的几何成像优化系统，不适用于成像系统的设计与优化。常用的光学仿真软件如Zemax、TracePro，能够实现光学成像系统的设计、分析、优化和其他的辅助功能，但是只支持简单的表面光栅和体光栅的仿真，缺少偏振体光栅的仿真模型。相比于COMSOL，只要在Zemax中建立光栅的仿真模型，就可以Zemax强大的光线追迹算法和光学设计优化功能实现任意形状光栅全息波导显示的设计优化。因此，设计一种基于Zemax的任意形状光栅仿真系统显得尤为重要。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，为了克服现有技术中存在的不足，提供一种基于RCWA的偏振体光栅衍射光线追迹仿真系统及方法，其能够在结合Zemax的光线追迹仿真算法，进行偏振体光栅的成像仿真和优化功能，且对RCWA算法进行优化，以减少计算时间，提高仿真精度，使光栅能够应用于全息波导显示的仿真优化设计中。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种基于RCWA的偏振体光栅衍射光线追迹仿真系统，包括偏振态检测模块、蒙特卡罗追迹模块以及动态链接库接口；其中

所述偏振态检测模块，用于将入射光分解为s波和p波，通过计算s波和p波的相位差，得出入射光线的偏振态，将带有偏振态和入射方向的光线信息传递给蒙特卡罗追迹模块；

所述蒙特卡罗追迹模块，结合基于RCWA的PVG衍射模型，利用蒙特卡罗数值计算方法，计算出各个偏振态和入射方向的光线的衍射特性，构造概率分布区间，在光线追迹过程中产生随机数，根据随机数所在区间决定光线的衍射方向；

所述动态链接库接口，用于定义所述基于RCWA的PVG衍射模型与光学仿真软件ZEMAX的数据通信接口，将所述基于RCWA的PVG衍射模型嵌入ZEMAX中，利用ZEMAX的光线追迹算法实现偏振体光栅的光线追迹仿真。

进一步的，本发明所提出的基于RCWA的偏振体光栅衍射光线追迹仿真系统，所述偏振态检测模块，是根据入射光线的方向和衍射界面法线，得出p波所在的入射平面，以及垂直于入射平面且包含入射光线的s波所在平面，将入射光分解为s波和p波。