案例研究
Ansys Zemax OpticStudio在帮助我们验证高度实用的新型波导系统的功能，以及设计可用于各种制造场景的模型方面发挥了至关重要的作用。
——Pierre-Alexandre Blanche，亚利桑那大学光学科学学院（Wyant学院）研究教授
新兴技术市场持续为波导光学领域的创新提供着机遇。在波导光学中，光学谱段的电磁波在器件中被限制并引导，从而使光学系统实现各种传输效果。增强现实（AR）系统，例如可穿戴设备或抬头显示器（HUD）等这类系统，通常采用特定构造的全息光学元件（HOE）将光耦合至波导，从而将光从显示设备传输到用户眼睛中。这使得用户在全息AR空间中的沉浸体验愈发逼真，虚拟信息可以叠加在现实世界的视觉场景中。
挑战
全息波导是用于HUD的理想合成器类型，因为其可以在保持视场（FOV）不变的前提下，扩大眼盒（Eye Box），而这是其他合成器类型难以实现的特性。迄今为止，大多数在商业上取得成功的全息波导产品，其与用户交互的界面都采用的是平面结构。但其实，曲面设计更为理想，例如曲面AR头盔，其更贴合用户头部、可提供最大的FOV。然而，在波导设计中，弯曲全息投影器件会给图像带来像差，因此为HUD和AR设计曲面合成器就变得更具挑战性。
另一方面，近眼显示（NED）系统的物理要求进一步增加了这种复杂性。在NED系统中，物理结构必须足够轻量化，以确保易于穿戴，同时要能够容纳所有关键组件。瞳孔拓展式合成器有助于减小投影组件和整体体积，但在传统光学系统中，瞳孔拓展技术应用主要局限于平面波导。
曲面波导中的光传播原理图，显示了光与曲面的各种相互作用，这些相互作用易导致图像像差
插入全息面的几何校正示意：图中绿色表示的是引入的子午光线（Sagittal Ray）焦点，红色表示波导表面全反射形成的虚焦点的位置。
工程解决方案
利用OpticStudio设计出一种光学系统，该系统采用HOE进行传播校正，以验证曲面波导作为合成器的可行性。光线通过波导进行聚焦和扩展，在波导内形成一种准直态（quasi-collimated state），使曲面波导传播与图像耦出的像差最小化，并且完全符合商用AR设备生产的参数标准。
通过HOE实现的瞳孔拓展，会利用插入全息面在全内反射条件下引导光线传播。然后，光线会抵达耦出全息面（Extraction Hologram），后者可校正耦出光，使观察者能够看到完整的单一图像。在其曲面波导设计中，关键在于平衡光线通过波导传播时的扩展和聚焦方式，以及与系统上下表面的相互作用。实现这种平衡后，可以调整耦出全息面，使光线在曲面玻璃上耦出时产生的像差最小化。
优势
- 进行预畸变图像仿真，可实现预测性校正。
- 全息光学元件光线追迹，用于校正图像分辨率。
- 图像衍射耦合分析，便于在构建系统之前进行优化。
示例HUD图像通过校正后的波导(a)投射到曲面挡风玻璃上，对比未校正的波导(b)，后者会产生2.4度的图像重影
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