FDTD_Zemax
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。
运行和结果说明：
模型运行方法及关键结果讨论
为探究基于波导的增强现实（AR）系统的光学性能，我们使用了不同的光源对系统进行了测试，包括环境照明和显示光源。
步骤 1：Zemax OpticStudio 模拟
在 Zemax OpticStudio 中设计了透镜系统，并将其导出为 odx 文件；我们已打开 Ansys Zemax OpticStudio 24R1 中 ZOS_Projector_Lens 文件夹里的 AR_Projector_end.zar 文件，并在“文件”选项卡下的“导出”组中使用了“将光学设计导出至 Speos”功能。生成的 .odx 文件保存在 ZOS_Projector_Lens 文件夹中。
请注意，顺序和非顺序组件均可导出为 odx 格式。包含 Zemax 黑盒的组件无法导出。
如果您无法使用 Zemax OpticStudio 24R1，或者您的透镜系统不受此功能支持，您仍可在 Zemax OpticStudio 中将透镜系统导出为 STEP 文件，并将其插入 Speos 中，应用光学属性，这适用于更复杂的透镜系统。步骤 2：Lumerical 模拟 - RCWA
亚波长光栅结构成像器的光子模拟在 RCWA 中完成，所得信息以 JSON 文件形式导出，该文件全面描述了结构在所有入射角和波长下的特性，以便在 SPEOS 中进行系统级研究。使用基于脚本的方法从 Lumerical 工具中计算并导出表面属性。有关 Lumerical 亚波长模型（LSWM）的更多信息，请参阅 Speos Lumerical 亚波长模型 - Ansys Optics 。
步骤 3：Speos 模拟
在 Speos 2024 R1 中，打开从下载文件夹 START-Augmented-reality-optical-system 中的 Speos 模拟文件 AR Stereo system 520nm.scdocx。如您在 Speos 项目中所见，它包含 AR 系统波导、导入的透镜模型以及预定义的传感器和光源，以加快模拟设置。为了使用兼容 GPU 的光学设计交换功能在 Speos 中导入并定位透镜模型，已采取以下步骤。
我们在 Speos 软件中“光模拟”功能区下的“组件”组中点击了“光学设计交换”工具。在“模拟”面板中创建了一个新的“光学设计交换.1”功能。由于导入透镜的网格质量会影响模拟性能和生成结果的质量，我们通过右键单击模拟树中的“光学设计交换.1”功能并选择选项，在“光学设计交换”功能上直接定义了一个特定的网格。对于光学成像系统，我们设置了以下网格值。