Ansys Zemax技術教程：Zemax Lumerical Speos 聯(lián)合實現(xiàn)衍射光波導AR系統(tǒng)設計仿真

光之友

Ansys Optics/

　　在這個聯(lián)合方案中，將介紹一個仿真工作流程來分析單色AR(增強現(xiàn)實)系統(tǒng)的光學性能，用Zemax OpticStudio設計的光學透鏡系統(tǒng)和用Lumerical設計光柵結(jié)構(gòu)，到Speos進行系統(tǒng)級分析。

　　概覽

　　增強現(xiàn)實(AR)是一種將屏幕上的虛擬世界與現(xiàn)實場景相結(jié)合的技術，使用Ansys的完整光學解決方案來設計和分析瞳孔擴展器EPE衍射光柵構(gòu)成的AR系統(tǒng)，將Zemax OpticStudio的光學透鏡系統(tǒng)信息和Lumerical的光柵信息導入到Speos中，對這些系統(tǒng)進行系統(tǒng)級性能分析，使用Speos在3D環(huán)境中模擬整個AR光學系統(tǒng)時，這個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，并且可以在照明場景中準確感知視覺效果。

　　

　　這個解決方案需要三個主要工具：

　　1.Zemax OpticStudio設計投影透鏡，并將CAD模型導出到Speos；

　　2.Lumerical RCWA或FDTD來模擬衍射光柵；

　　3.Speos生成光輻射圖和人眼感知仿真結(jié)果。

　　設計流程

　　用Zemax OpticStuido設計鏡頭系統(tǒng)，并將相應的透鏡數(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光學透鏡導入工具，該工具可以通過Ansys store訪問，另一種是將透鏡系統(tǒng)導出為Zemax OpticStudio中的STEP文件，并將其插入到Speos中。

　

　　2.在Lumerical中的光柵設計，本例中基于波導的AR系統(tǒng)依靠衍射光柵來控制光束在波導中的傳播。利用RCWA求解器模擬了光柵的周期波長尺度結(jié)構(gòu)，將耦合光柵、出耦合光柵和擴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的結(jié)構(gòu)，并且作為表面屬性導入Speos，用以在光線在計算中模擬亞波長結(jié)構(gòu)的屬性，用于Speos系統(tǒng)級研究。

　

　　3.將光柵參數(shù)文件(JSON)作為面屬性導入Speos，對AR系統(tǒng)亞波長衍射光學元件的特性進行建模。在Speos中，運行了光線追跡光度模擬，探索光線如何與基于波導的AR系統(tǒng)相互作用，并從亮度圖中提取關鍵的人眼感知指標。此外，使用observer傳感器從幾個定義的角度對光學系統(tǒng)進行可視化，探索人眼在多個視點的真實照明條件下的感知。

　　結(jié)果分析

　　1.在Speos中，設置材料光學屬性，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。為了探究光柵對光傳播的影響，可以使用交互式模擬，使光線從光源通過光學系統(tǒng)的傳播可視化。

　

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

　　

　　4.使用亮度探測器，以display光源入射系統(tǒng)評估最終特定視場下的亮度結(jié)果，收集系統(tǒng)的亮度信息，使用inverse仿真計算，打開XMP結(jié)果，系統(tǒng)顯示圖像信息內(nèi)容。當然在仿真過程中，Speos支持加入場景環(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的視野上。另外在人眼視覺條件下，激活人眼視覺參數(shù)可以模擬人眼的空間適應性，調(diào)節(jié)人眼參數(shù)實現(xiàn)不同的人眼視覺結(jié)果，在可讀可視性分析中，可以分析場景環(huán)境下目標信息的可識別性。

　　

　　5.如果選擇observer探測器，允許定義多角度的仿真模擬，將會得到Speos 360結(jié)果，可以動態(tài)多點查看系統(tǒng)的人眼視覺效果。

　

　　結(jié)論

　　在本例中使用1-D光柵用于衍射光學元件，為了使模式進一步發(fā)展，用戶可以用自己的1-D甚至2-D光柵代替光柵，在一個或兩個方向上衍射光。此外，為了設置景深考慮眼睛的真實感知，可以將Radiance亮度傳感器替換為Human eye人眼傳感器，然后進行進一步優(yōu)化以調(diào)整性能。

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