AR視覺模擬整合應用

AR 顯示技術

光學穿透式頭戴顯示（AR眼鏡）作為AR技術的主要硬體載體，近年來，受到了科學界和產業界的廣泛關注，目前比較成熟能增強現實技術中的光學顯示方案主要分為棱鏡方案、Birdbath方案、自由曲面方案、離軸立體透鏡方案和AR 光波導方案。本文以AR光波導技術為例，說明如何利用Ansys的Lumerical/Zemax/SPEOS來進行AR的光路設計、優化與視效模擬。

(資料來源: http://vr.sina.com.cn/news/hz/2020-06-17/doc-iirczymk7483042.shtml)

Ansys 光學模擬解決方案

OPTIS於1989年成立於法國，致力於仿真與高端虛擬現實的仿真體驗，2000年開發SPEOS光學分析軟體。2018年5月加入Ansys公司，命名Ansys SPEOS。

Lumerical專注光子模擬和建模領域，自2003年成立以來，已發展為光子學界引用最廣泛的工具之一，2020年加入Ansys公司，跨入波動光學領域。

Zemax依靠高精度光線追跡和可靠的透鏡設計，包含光學製造環節中的每一個光學元件。於2021年第四季加入Ansys，跨足成像光學領域。

AR 光波導設計流程，透過SPEOS進行光路概念設計，再用Lumerical設計相應的理想光柵並導回SPEOS反覆驗證光柵效果及調整光路。接著依照調整完的理想光柵在Lumerical建立真實光柵結構，再將光路及光柵放入Zemax，利用Zemax與Lumerical的連動功能（2023）進行優化及成像分析，最後將優化結果導回SPEOS模擬視覺效果。

Lumerial 理想與幾何光柵設計

Lumerical可模擬與設計不同階次，穿透與反射率、折射反射角度的光柵效果，可透過腳本與二次開發的模式來建立理想的光柵，並透過腳本將生成的光柵材料輸出為Zemax與SPEOS使用。以RCWA的算法進行模擬，在光柵的條件下較合適，速度也快。

除了理想的光柵外，Lumerical也可以建構微小結構來進行幾何光柵的模擬，調整微結構的角度與造型可以改變不同的光柵行為，並將這些參數在Zemax中進行優化，以達到想要的效果。

透過腳本或二次開發程式將光柵結構進行輸出，Zemax的dll檔與SPEOS的json檔，都可以用來描述光柵行為並進行模擬分析，下圖為Lumerical導入Zemax與SPEOS的結果，兩者相比較具有一定的準確性。

Zemax光路與光柵結構優化

在Lumerical中，我們將光柵的微結構尺寸定為變量，並將這個結構的光學表現結果輸出為dll檔並匯入Zemax當中，Zemax可以將這些結構尺寸設定為變量，並進行優化分析。我們可以得知要達到較佳的光學表現，怎樣的結構會是最合適的。

我們以一階與二階的擴瞳結構為案例來實際展示，

為了達到較佳的光學表現，我們的光柵結構，包括圓柱體的長度、直徑與間隔等等，必須為變量，這些變量可以在Lumerical中建構，並將這些變量的參數匯到Zemax當中作為參數使用，以進行後續的優化模擬。

在Zemax中我們將均勻性與使用效率作為優化目標，執行Zemax的Optimization就可以得到一個更佳的光柵效果，如果一次優化仍然不足，也可以進行分割區域進行分次的優化來達到更佳的效果。

SPEOS 視覺效果與雜散光模擬

將Lumerical優化後的光柵，透過腳本轉為SPEOS的jason檔，用以描述光柵結構的實質反射與穿透的行為，或是透過理想光柵參數輸出為SPEOS可描述的材料。SPEOS 2022 的新功能Material Plugins，可以將光波導材料的屬性匯入SPEOS做為材質使用，可以貼附在各種幾何上，也可以給予不同的貼附方向。