增强现实光学系统_FDTD_zemax_speos_学习（1）
项目8.1 Augmented Reality Optical System
在此示例中，我们介绍了一种模拟工作流程，用于在特定照明条件下分析单色增强现实（AR）系统的光学性能，该系统由光学系统和一维光栅组合而成。使用 Ansys Zemax OpticStudio 设计的光学透镜系统以及使用 Ansys Lumerical 设计的光栅被导出到 Ansys Speos 中进行系统级分析。此示例主要涵盖整体工作流程中 Ansys Speos 的部分。
概述
增强现实（AR）是一种将屏幕上的虚拟世界与现实场景相结合的技术。本文展示了如何使用 Ansys 的完整光学解决方案来设计和分析由输入/输出和出瞳扩展器（EPE）衍射光栅组成的 AR 系统；我们将来自 Zemax OpticStudio 的光学镜头系统信息以及来自 Lumerical 的光学光栅信息导入 Speos，以对这些系统进行系统级性能分析，因为它们需要在现实世界中运行，并且要符合人类感知。这种互操作性工作流程在使用 Speos 在 3D 环境中模拟整个 AR 光学系统时，捕捉到了光栅的纳米级结构与投影镜头的宏观结构之间的相互作用。用户可以优化组件，并构建具有逼真照明和光度/辐射度物理无偏渲染的准确 3D 场景感知。
此虚拟解决方案需要三个主要工具：
- 使用 Zemax OpticStudio 设计投影镜头，并通过“导出光学设计到 Speos”（.odx）功能将光学系统从 Zemax 导出到 Speos。利用 Lumerical RCWA（严格耦合波分析）或 FDTD（时域有限差分）对衍射光栅表面进行建模，这些表面将光散射到支持的光栅级次，并通过 json 文件导出光栅表面模型。
- Speos 可通过光学设计交换（.odx）功能无缝且准确地集成投影镜头模型，并通过 json 文件整合用于耦合器的亚波长衍射光栅表面，从而进行深入的系统级分析。利用 GPU/CPU 计算进行精确的非顺序光线追踪分析，并生成光度/辐射度结果，包括光谱辐照度和辐射度图。通过考虑人类感知来验证 AR 系统的性能，以进行全面分析。
此应用需要 Lumerical、Zemax OpticStudio 和 Speos 模拟，但在本示例中，我们重点关注 Lumerical 和 Speos 中的步骤，假设投影透镜系统的透镜模型已可用。出口光瞳扩展是基于波导的增强现实系统中常用的技术之一。在下面所示的示例中，来自显示源的光被投射到投影透镜中，该透镜将光会聚到增强现实系统的入射光栅上。然后，光发生衍射，并通过全内反射（TIR）现象在波导中传播。当光到达系统中的扩展光栅时，它被折叠 90 度并朝向系统中的最后一个光栅扩展，该光栅将光从波导耦合到眼睛。
在此示例中，我们使用一个经过优化的简单目镜透镜，以用于演示。此增强现实波导系统的光引擎要求与目镜有许多相似之处，因为它们的瞳孔都在系统外部。通常，增强现实系统的透镜组件可能更复杂，以实现高图像质量并满足其他系统要求。这还可能取决于光源类型。例如，如果光源是激光二极管，则可能会使用反射镜而非透镜。
步骤 1：使用 Zemax OpticStudio 进行透镜系统设计（本文未涵盖） 在此步骤中，我们在 Zemax OpticStudio 中设计透镜系统，并将其导出为 Speos 可读文件格式（*.odx）以进行系统级分析。*.odx 文件包含系统的几何形状及其位置和方向、成像器的位置和方向、透镜系统中使用的材料和涂层。 我们为增强现实波导的图像输入创建了一个简单的透镜系统。我们只是从 Zemax 设计模板中选取了一个三片式目镜，并针对此增强现实波导对其进行了一定程度的重新优化。
第 2 步：Lumerical 中的光栅设计（本文未涵盖） 本示例中的基于波导的 AR 系统依靠衍射光栅来控制波导中光束的传播。光栅的周期性波长级结构使用 RCWA 求解器进行模拟。入射/出射光栅和扩展光栅的衍射特性保存在一个 JSON 数据文件中，该文件作为表面属性导入到 Speos 中，以在光线追踪模拟中建模亚波长结构的特性。
入射/出射光栅和扩展光栅的以下要求用于确定其适当的形状和周期：
目标波长：520 纳米
光栅材料：玻璃
入射/出射透射光栅，具有高一级衍射效率 折叠/扩展反射光栅，具有高零级衍射效率
步骤 3：Speos 分析
在 Speos 2024R1 及更高版本中，用户可以使用光学设计交换功能从 Zemax 导入并定位镜头模型，并使用 GPU 或 CPU 运行光线追踪分析。.odx 文件作为一个容器，存储有关镜头设计、光谱材料和涂层特性、光阑表面以及传感器的信息。有关内容、支持的表面和对象类型的更多信息，请参阅链接。光栅参数文件（JSON 格式）可以作为表面属性导入到 Speos 中，以模拟 AR 系统中亚波长衍射光学元件的特性。在 Speos 中，我们运行光线追踪光度学模拟，探索光线如何与基于波导的 AR 系统相互作用，并从光谱辐射度图中提取关键的人类感知指标。此外，通过在多个用户定义的视角使用观察者传感器对光学系统进行可视化，可以在多个视角下探索在真实照明条件下的人眼感知。