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設計光柵結構，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構和透鏡的宏觀結構之間的相互作用，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構，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構，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構的屬性，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果，收集系統(tǒng)的亮度信息，使用inverse仿真計算，打開XMP結果，系統(tǒng)顯示圖像信息內容。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，調節(jié)人眼參數(shù)實現(xiàn)不同的人眼視覺結果，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結果，可以動態(tài)多點查看系統(tǒng)的人眼視覺效果。

　

　　結論

　　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)化以調整性能。

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