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。

SPEOS 導入Lumerical 的材料檔(json)檔後,就可以根據理想光柵的json檔進行光路的模擬,案例展示的是利用三個一維的光柵結構將光線進行擴瞳,在眼中成像的現象,三個不同的光柵分別導向不同的方向,第一個光柵向右導入,第二個光路向下導入,第三光柵像眼睛導入,其光路的設計與模擬結果如下:

初步的模擬結果發現並不理想,透過分段的方式將光柵的前中後倒入不同的理想光柵,結果前段反射較高,將光線往後段傳遞;後段穿透較高,將更多的光線導入到眼睛當中,其優化前後的光路結果分別展示如下:

SPEOS強大的視覺模擬分析可以將複合的光柵結果與輝度或類人眼接收器來進行計算,考量到人眼收光角的結果,實現接近人眼的視覺效果。透過環境HDRI的模擬結果進行Combine,讓使用者在前期就可以得到AR的視覺模擬效果。

由於granting的材料特性,較大角度的光線會產生一階或多階的色分離現象,SPEOS的granting 材料可以配合外部環境光源,模擬出因外部雜散光,而產生的彩虹紋現象。