AR/VR 中的光学和光子学

增强现实 (AR) 和虚拟现实 (VR) 站在数字进化的前沿。光学和光子学这一复杂的科学深入研究了光的产生、检测和操控，在这一转变中发挥着至关重要的作用。

图 1 (a) 展示了 AR 系统的设计，强调了光学的关键作用。该图描绘了光的旅程：从光引擎到内耦合器，穿过波导，最终通过外耦合器与我们的眼睛相互作用。图 1 (b) 强调了使用 Ansys 进行虚拟原型设计的潜力，将 Lumerical 和 Zemax 的结果集成在一起，实现全面的 AR 系统模拟。

                           （一）（二）

图 1 (a) AR 系统示意图 (b) Ansys 的虚拟原型

图 2 展示了 Lumus 生产的 AR 眼镜的复杂组件。微型显示器、分束器、镜子、棱镜、准直器和 LED 等光源的重要性显而易见。光从平面内过渡到平面外的轨迹揭示了光学工程的奇迹。

图 2 Lumus 的 AR 眼镜（Exclusive: Lumus Maximus 2K x 2K Per Eye, >3000 Nits, 50° FOV with Through-the-Optics Pictures – KGOnTech

 AR/VR 和模拟所面临的挑战

要使 AR 和 VR 设备彻底改变我们的体验，它们必须轻巧、用户友好，并且能够生成高清逼真的图像。满足这些要求包括：

• 在不影响性能的情况下平衡设备重量。
• 产生生动清晰的图像。
• 优先考虑用户的舒适度。

仿真工具（尤其是 Lumerical、Zemax 和 Speos）在解决这些挑战方面发挥着重要作用。它们确保设备符合行业标准，同时优化性能和用户体验。图 3 深入了解了 Ansys 的综合仿真方法，范围从纳米/微米级到系统级仿真。

图3 Ansys 虚拟样机

Ansys 开发了一种仿真工作流程，用于评估 AR 系统的光学性能，在特定照明条件下将光学系统与光栅集成在一起。Ansys Zemax OpticStudio 与 Ansys Lumerical 之间的合作带来了全面的系统级分析，其中 Ansys Speos 在集成和简化仿真过程中发挥了关键作用。图 4 描绘了 Lumerical、Zemax 和 Speos 用于 AR 眼镜的工作流程。

图 4. Ansys AR 眼镜仿真工作流程（https://optics.ansys.com/hc/en-us/articles/12157334700435）

Lumerical：光交互的强大引擎

Lumerical 因专注于光与物质的相互作用而脱颖而出。其优势在于：

• 光栅结构： Lumerical 擅长模拟光栅结构，这对于 AR 眼镜至关重要。其 FDTD Solutions 产品使设计师能够优化复杂的光栅行为，确保精确的光线方向，从而获得无与伦比的 AR 体验。
• 波导模拟：波导是 AR 眼镜中的光子高速公路。Lumerical 的解决方案是波导设计的灯塔，可实现紧凑高效的系统。
• 纳米光子元件：随着 AR/VR 设备的发展，纳米光子元件变得不可或缺。Lumerical 为这些设备提供精确的模拟工具，确保即使在极小的规模下也能达到最佳性能。
• 热管理： Lumerical 的多物理套件有助于了解光子设备的热动力学，这是 AR/VR 中用户安全和舒适度的一个关键方面。
• 软件集成： Lumerical 与其他设计软件的兼容性简化了从光学设计到光子模拟的过渡，加快了产品开发。

图 5 展示了各种光栅设计，突出了 Lumerical 的优化能力。

图 5展示了各种光栅设计，强调了 Lumerical 的优化能力。

Zemax OpticStudio：打造精准的光学设计

Zemax 因其光学设计能力而闻名，这对于以下方面至关重要：

• 全面的光学系统设计： Zemax 的 OpticStudio 提供了一个用于设计和优化完整光学系统的整体平台，确保无与伦比的视觉质量。
• 杂散光分析： Zemax 的工具可以减轻不需要的光线，从而提高图像质量。
• 虚拟原型： Zemax 促进快速设计迭代，从而节省时间和成本。
• 波导设计与分析： Zemax 在波导设计方面的能力可确保高效的光耦合和完美的图像投影。

Zemax 的工具包是 AR/VR 设计师的福音，可确保设备提供无与伦比的视觉体验。Lumerical 和 Zemax 之间的协同作用对于快速模拟至关重要。

图 6 Lumerical 与 Zemax 之间的协同作用对于快速仿真至关重要。（https://optics.ansys.com/hc/en-us/articles/9084380749587）

Speos：模拟人类感知

Speos 因强调人类的光学感知而脱颖而出。它对于以下方面至关重要：

• 人类视觉感知模拟： Speos 独特的模拟人类视觉感知能力可确保以用户为中心的优化。
• 集成 CAD 工作流程：与 CAD 平台的集成简化了设计流程。
• 先进的光建模： Speos 的综合光源和材料库能够对复杂的光行为进行精确的建模。

系统验证是 AR 系统开发的关键阶段，可确保设计符合人类的感知需求。此过程涉及在各种虚拟控制场景中测试和验证设计，涵盖一系列环境，例如室内、室外、自然光和人造光等不同照明条件以及一天中的不同时间。此验证的一个关键方面是了解人类视觉。所使用的模型深入研究了视觉的各个方面，包括暗视、中视和明视范围内的眼睛敏感度、眩光、眼睛从阴影到亮光的适应、色觉缺陷、观察者年龄的影响、视力敏锐度和景深。使用工具来评估可读性、可见性以及人眼感知到的不同颜色的区分能力。另一个关键方面是感知质量，它评估外部人如何看待耳机用户。借助 Ansys Lumerical、SPEOS 和 ZEMAX 等工具，AR 系统的设计得到优化，确保人眼可以在特定距离调整其焦点，从而提供无缝体验。无论是具有优化的内耦合光栅的 RGB 显示屏，还是带有 AR 涂层的光学抛光表面，每一个细节都经过精心验证，以确保用户的视觉体验无与伦比。

图 7 Speos 输出说明。

optiSLang 在光学模拟中的重要性

OptiSLang 是光学模拟领域的基石，尤其是在处理出瞳扩展器 (EPE) 等复杂系统时。在优化具有大量参数的系统时，其作用更加突出。原因如下：

1. 系统级控制：OptiSLang 提供系统级优化的总体控制。通过调整光栅模型，确保整个 EPE 系统达到所需的光学性能。
2. 动态链接：Lumerical 和 OpticStudio 等平台之间的动态链接由 optiSLang 高效管理。这确保 Lumerical 的精确光栅模型无缝集成到 OpticStudio 中。
3. 高级优化技术：使用 optiSLang，优化过程不仅仅是调整参数。它采用高级技术，例如在每个优化周期中进行预处理和后处理。这包括将结果与瞳孔函数进行卷积等任务，这对于实现预期结果至关重要。
4. Python 集成：在 optiSLang 中使用 Python 节点提供了一个灵活的环境，可用于定义函数、减少变量，从而缩短优化时间。这种集成允许采用更具针对性的优化方法，确保识别出影响最大的参数并进行相应调整。
5. 可视化和分析：OptiSLang 不仅仅能进行优化；它还提供可视化多次优化运行结果的工具。这有助于理解权衡利弊并做出明智的决策，做出最佳设计选择。

图8展示了使用Optislang优化AR波导的工作流程。

图 8使用 Optislang 优化 AR 波导的工作流程。（https://optics.ansys.com/hc/en-us/articles/17721058552083）

 结论

在快速发展的 AR 和 VR 世界中，光学和光子模拟的精度和效率至关重要。Lumerical 以其在光栅和波导设计方面的专业知识而闻名，Zemax OpticStudio 以其无与伦比的光学设计实力而闻名，而 Speos 则特别注重人类的光学感知，这些工具之间的复杂协同作用正在共同塑造下一波沉浸式体验。随着 AR/VR 设备追求轻量级设计、逼真的高清图像和最佳用户舒适度，模拟的重要性呈指数级增长。利用这些工具的功能，从详细的波导模拟到细致入微的人类视觉感知建模，成为寻求在 AR/VR 领域取得领先地位的事业的基石。随着我们继续重新定义数字沉浸的极限，光学、光子学和最先进的模拟工具的集成无疑将铺平前进的道路。