Ansys Zemax技術(shù)教程：Zemax Lumerical Speos 聯(lián)合實(shí)現(xiàn)衍射光波導(dǎo)AR系統(tǒng)設(shè)計(jì)仿真

光之友

Ansys Optics/

　　在這個(gè)聯(lián)合方案中，將介紹一個(gè)仿真工作流程來(lái)分析單色AR(增強(qiáng)現(xiàn)實(shí))系統(tǒng)的光學(xué)性能，用Zemax OpticStudio設(shè)計(jì)的光學(xué)透鏡系統(tǒng)和用Lumerical設(shè)計(jì)光柵結(jié)構(gòu)，到Speos進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)分析。

　　概覽

　　增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AR)是一種將屏幕上的虛擬世界與現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景相結(jié)合的技術(shù)，使用Ansys的完整光學(xué)解決方案來(lái)設(shè)計(jì)和分析瞳孔擴(kuò)展器EPE衍射光柵構(gòu)成的AR系統(tǒng)，將Zemax OpticStudio的光學(xué)透鏡系統(tǒng)信息和Lumerical的光柵信息導(dǎo)入到Speos中，對(duì)這些系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)性能分析，使用Speos在3D環(huán)境中模擬整個(gè)AR光學(xué)系統(tǒng)時(shí)，這個(gè)互操作性工作流捕獲了光柵微結(jié)構(gòu)和透鏡的宏觀結(jié)構(gòu)之間的相互作用，并且可以在照明場(chǎng)景中準(zhǔn)確感知視覺(jué)效果。

　　

　　這個(gè)解決方案需要三個(gè)主要工具：

　　1.Zemax OpticStudio設(shè)計(jì)投影透鏡，并將CAD模型導(dǎo)出到Speos；

　　2.Lumerical RCWA或FDTD來(lái)模擬衍射光柵；

　　3.Speos生成光輻射圖和人眼感知仿真結(jié)果。

　　設(shè)計(jì)流程

　　用Zemax OpticStuido設(shè)計(jì)鏡頭系統(tǒng)，并將相應(yīng)的透鏡數(shù)據(jù)傳輸?shù)絊peos，從Zemax OpticStudio轉(zhuǎn)移鏡頭CAD模型到Speos有兩種方法：一種是使用Speos-Zemax光學(xué)透鏡導(dǎo)入工具，該工具可以通過(guò)Ansys store訪(fǎng)問(wèn)，另一種是將透鏡系統(tǒng)導(dǎo)出為Zemax OpticStudio中的STEP文件，并將其插入到Speos中。

　

　　2.在Lumerical中的光柵設(shè)計(jì)，本例中基于波導(dǎo)的AR系統(tǒng)依靠衍射光柵來(lái)控制光束在波導(dǎo)中的傳播。利用RCWA求解器模擬了光柵的周期波長(zhǎng)尺度結(jié)構(gòu)，將耦合光柵、出耦合光柵和擴(kuò)展光柵的衍射屬性保存在JSON數(shù)據(jù)文件中，該文件充分描述了所有入射角和波長(zhǎng)的結(jié)構(gòu)，并且作為表面屬性導(dǎo)入Speos，用以在光線(xiàn)在計(jì)算中模擬亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的屬性，用于Speos系統(tǒng)級(jí)研究。

　

　　3.將光柵參數(shù)文件(JSON)作為面屬性導(dǎo)入Speos，對(duì)AR系統(tǒng)亞波長(zhǎng)衍射光學(xué)元件的特性進(jìn)行建模。在Speos中，運(yùn)行了光線(xiàn)追跡光度模擬，探索光線(xiàn)如何與基于波導(dǎo)的AR系統(tǒng)相互作用，并從亮度圖中提取關(guān)鍵的人眼感知指標(biāo)。此外，使用observer傳感器從幾個(gè)定義的角度對(duì)光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行可視化，探索人眼在多個(gè)視點(diǎn)的真實(shí)照明條件下的感知。

　　結(jié)果分析

　　1.在Speos中，設(shè)置材料光學(xué)屬性，surface properties選擇plugin，plugin中選擇lumerical-sub-wavelength*.sop文件，在parameters中選擇JSON文件，同時(shí)使用UV mapping功能，旋轉(zhuǎn)光柵方向。

　

　　2.光柵可以將光衍射成具有特定不同方向的幾束光束。為了探究光柵對(duì)光傳播的影響，可以使用交互式模擬，使光線(xiàn)從光源通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)的傳播可視化。

　

　　3.可以通過(guò)照度傳感器收集射線(xiàn)并分析均勻性，傳感器允許計(jì)算光的輻照度(W/m2)或照度(Lux)。通過(guò)模擬結(jié)果，可以在波導(dǎo)的輸出耦合區(qū)域探索來(lái)自520nm均勻顯示源的輻照度。模擬完成后，雙擊XMP打開(kāi)輻照度圖，并檢查均勻性。模擬計(jì)算選擇LXP，打開(kāi)得到的lpf文件，通過(guò)measure功能，能供追跡光源到探測(cè)器的光線(xiàn)轉(zhuǎn)播路徑。

　　

　　4.使用亮度探測(cè)器，以display光源入射系統(tǒng)評(píng)估最終特定視場(chǎng)下的亮度結(jié)果，收集系統(tǒng)的亮度信息，使用inverse仿真計(jì)算，打開(kāi)XMP結(jié)果，系統(tǒng)顯示圖像信息內(nèi)容。當(dāng)然在仿真過(guò)程中，Speos支持加入場(chǎng)景環(huán)境光，使得系統(tǒng)的環(huán)境信息和顯示信息全部疊加到用戶(hù)的視野上。另外在人眼視覺(jué)條件下，激活人眼視覺(jué)參數(shù)可以模擬人眼的空間適應(yīng)性，調(diào)節(jié)人眼參數(shù)實(shí)現(xiàn)不同的人眼視覺(jué)結(jié)果，在可讀可視性分析中，可以分析場(chǎng)景環(huán)境下目標(biāo)信息的可識(shí)別性。

　　

　　5.如果選擇observer探測(cè)器，允許定義多角度的仿真模擬，將會(huì)得到Speos 360結(jié)果，可以動(dòng)態(tài)多點(diǎn)查看系統(tǒng)的人眼視覺(jué)效果。

　

　　結(jié)論

　　在本例中使用1-D光柵用于衍射光學(xué)元件，為了使模式進(jìn)一步發(fā)展，用戶(hù)可以用自己的1-D甚至2-D光柵代替光柵，在一個(gè)或兩個(gè)方向上衍射光。此外，為了設(shè)置景深考慮眼睛的真實(shí)感知，可以將Radiance亮度傳感器替換為Human eye人眼傳感器，然后進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化以調(diào)整性能。

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