AR Grating 跨尺度軟體整合優化應用
AR Grating光波導技術架構
隨著AR眼鏡朝向輕量化、高透光率及大視場角發展，以衍射光波導（Diffractive Waveguide）為核心的 AR Grating 技術已成為主流光學架構之一。其透過奈米級光柵結構控制光線傳播方向，使虛擬影像能在極薄的玻璃基板內完成導光與成像。AR光波導的運作機制主要可分為三個階段：
- 耦入（Input Coupling）
透過耦入光柵改變入射光角度，使光線進入玻璃基板並形成全反射傳輸。 - 擴瞳（Pupil Expansion）
利用轉向光柵進行光束複製與擴展，增加Eyebox範圍並提升觀看體驗。 - 耦出（Output Coupling）
透過耦出光柵將光線導出波導，並將虛擬影像投射至人眼視野中。
跨平台模擬與最佳化架構
本專案採用跨尺度、多軟體協同模擬架構，將不同層級的光學分析工作分配至最適合的模擬平台執行。
Lumerical
Lumerical主要負責光柵微結構建模，並將分析結果轉換為SPEOS可讀取之JSON結構檔案，建立完整結構資料庫。
SPEOS
SPEOS負責光學模擬，利用Lumerical所建立的結構，建構完整AR光波導系統並模擬最終出光表現。
OptiSLang
OptiSLang則作為最佳化平台，整合Lumerical與SPEOS模擬流程。透過Python控制，自動切換不同結構組合並執行大量設計點分析。
AR Grating最佳化工作流程
本研究建立完整自動化工作流程如下：
透過此流程可避免大量人工操作，提高設計效率與分析可靠度。
案例研究：二維擴瞳光波導系統
本研究以二維擴瞳（2D Pupil Expansion）光波導架構作為驗證案例。
系統配置包含：
- 1組耦入光柵
- 3組轉向光柵
- 5組耦出光柵
透過多組光柵共同作用，使輸入光束能夠在波導中逐步擴展並均勻分布於觀察區域，目標為在光效率與亮度均勻度之間取得最佳平衡。
光柵結構庫建構
為提高最佳化效率，本研究首先利用Lumerical建立光柵結構資料庫。
不同光柵結構經由RCWA分析後，將其衍射特性、角度響應及光學效率整理為JSON格式資料檔。
此結構庫作為後續SPEOS模擬之輸入來源，使系統能快速切換不同光柵設計，而無須重新建立電磁模型。
OptiSLang參數化建模
完成結構庫建構後，於SPEOS建立模型OptiSLang串接SPEOS與結構庫。
透過Python控制節點：
- 自動讀取結構庫路徑
- 替換SPEOS結構設定
同時依據實際需求建立多個光柵區域參數，作為後續最佳化變數。
亮度量測方法
為量化系統性能，本研究採用分析方法如下。
- 指定區域內平均亮度
- 於指定觀察區域內選取九個測量位置：
- 計算最大亮度
- 計算最小亮度
- 評估亮度差異
此方法能同時反映整體出光效率與空間均勻度表現。
多目標最佳化策略
AR光波導設計通常同時面臨亮度與均勻度之間的取捨關係。
因此本研究採用多目標最佳化策略，設定兩項主要目標：
平均亮度最大化
提升使用者實際可見影像亮度。
亮度差異最小化
降低九點量測中最大值與最小值之差異，提升顯示均勻性。
透過OptiSLang可同時考量兩項目標，尋找最佳折衷解（Trade-off Solution）。
AMOP分析與最佳化結果
完成設計點分析後，OptiSLang利用AMOP（Adaptive Metamodel of Optimal Prognosis）建立代理模型，快速預測設計空間中的性能變化。
分析結果顯示：
- 設計點47
- 設計點77
- 設計點24
- 設計點1
均為較具代表性的候選方案。
其中設計點47在維持高亮度的同時，具備較佳的均勻度表現，因此成為最佳候選方案。
設計方案比較分析
比較各設計方案模擬結果可發現：
- 設計點1：作為初始設計方案，中央區域仍存在明顯亮度不均現象。
- 設計點24：均勻度表現最佳，但平均亮度下降幅度較大，導致整體光效率降低。
- 設計點77：平均亮度有所提升，但局部區域仍存在亮度不均問題。
- 設計點47：兼顧亮度與均勻度兩項指標，在整體性能表現上最具優勢。
結果亦顯示平均亮度與均勻度之間存在明顯Trade-off關係，符合光學系統設計的一般物理現象。
設計點1模擬成像
設計點24模擬成像
設計點77模擬成像
設計點47模擬成像
結論
本專案成功整合Ansys Lumerical、Ansys SPEOS及Ansys OptiSLang三套平台，建立完整的AR Grating光波導最佳化流程。
透過Lumerical建立光柵結構資料庫、SPEOS執行系統級光學模擬，以及OptiSLang進行自動化多目標最佳化分析，有效縮短設計週期並提升設計效率。
研究結果顯示，平均出光效率與照明均勻度之間存在明顯的制衡關係，需透過系統化最佳化方法尋找最佳平衡點。其中設計點47於亮度與均勻度表現上取得最佳綜合成果，驗證本研究所建立之跨平台設計流程具備良好的工程實用性與應用價值。
未來此方法可進一步應用於AR眼鏡、混合實境（MR）裝置及新世代光波導顯示系統開發，作為光學設計與最佳化的重要參考架構。
