增強現實（AR）眼鏡使用戶能夠在現實世界的環境中疊加數字圖像，可廣泛應用于教育、醫療、導航、游戲和娛樂等領域。為了設計更輕巧的AR眼鏡，利用超緊湊的衍射光波導元件成為其中一種具有潛力的方案，其中關鍵設計包括擴瞳光柵（EPE）與光波導耦合光柵（Coupler）。新思科技的波動光學軟件RSoft可以用于各式光波導耦合光柵與擴瞳光柵的設計和開發，仿真分析光柵性能及衍射行為，并且可以將分析結果與幾何光學工具LightTools整合進行AR眼鏡的光學系統分析與優化。本文重點介紹在RSoft中進行光柵仿真/設計的流程如下 ：

第一步：建立模型（Structure modeling）

RSoft CAD可以創建各種光柵結構，包括表面浮雕光柵（SRG）、體積全息光柵（VHG）和偏振體積光柵（PVG）。通過Symbols功能，可以輕松地將模型的幾何尺寸、數學公式和設定內容參數化，并提供各向異性（Anisotropic）和色散（Dispersion）材料特性設置選項。

SRG：Segment功能非常適合用于建立光柵結構的幾何外形，并可通過Symbol建立設計參數間的聯動關系。

VHG：User Profile功能能以數學公式描述空間中折射率的變化，高自由度的分布變化可用來建立模型。

PVG：Crystal功能可以方便地定義晶軸在空間中的方向，也可以使用Anisotropic user profile直接定義空間中折射率的變化。

第二步：仿真分析（Simulation）

RSoft DiffractMOD RCWA為周期結構計算的專用算法，對于大部份的周期性結構計算具有很高的效率，能夠快速計算出光柵各個穿透/反射衍射階的效率、角度與偏振狀態。

RSoft FullWAVE FDTD同樣提供周期性邊界條件，也可以用于周期性光柵的計算，可稱為最嚴謹的波動光學分析工具，支持非線性網格（Nonuniform mesh）與集群計算（Clustering）能夠減少計算所需的時間。

上述兩種算法可在RSoft中自由切換，無需重復建模即可挑選最適合的計算方式。

第三步：掃描與優化 (Scan & Optimization)

通過Symbols設定的參數化光柵模型可以直接通過MOST進行參數掃描，并自動輸出設計參數與光柵性能的圖表，使用者可以根據掃描結果找出符合設計需求的參數范圍。MOST中提供包括區域和全域的多種優化算法來針對特定目標進行參數優化，優化目標可由分析結果中指定或可自行定義評價函數，也可以通過Python編碼來定義分析流程與評價函數，以滿足設計上的各種需求。

第四步：輸出表面特性檔案（Output BSDF）

設計完成的光柵可以通過RSoft BSDF Utility輸出成參數化的表面特性檔案，在LightTools內布局后進行AR眼鏡光學系統的整體分析，并且因為衍射光柵在LightTools中以參數化的表面特性呈現，因此可以在LightTools內對光柵設計進一步優化，以獲得最佳的整體效率與均勻性。

總結

單一光柵設計非常適合使用RSoft進行，因為其算法能夠完整仿真波動光學特性。可以通過靈活的建模方式和完整的材料特性定義來建立各種光柵模型，并且可以自由切換使用RCWA或FDTD算法以滿足不同的分析需求，從而使仿真分析更加高效。此外，還可以進一步利用掃描和優化功能幫助設計者探索設計參數或進行優化。在考慮系統中存在多個光柵時，可通過RSoft BSDF工具將設計好的光柵元件以參數化BSDF方式輸出，然后在LightTools內進行光學系統的整體仿真與優化。