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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(xué)性能

LD18688690737 ? 來源:Ansys 光電大本營 ? 2023-03-29 09:59 ? 次閱讀

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(xué)性能,用Zemax OpticStudio設(shè)計的光學(xué)透鏡系統(tǒng)和用 Lumerical設(shè)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(shù),使用Ansys的完整光學(xué)解決方案來設(shè)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(xué)透鏡系統(tǒng)信息和Lumerical的光柵信息導(dǎo)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(xué)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(zhǔn)確感知視覺效果。

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這個解決方案需要三個主要工具

1. Zemax OpticStudio 設(shè)計投影透鏡,并將CAD模型導(dǎo)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(shè)計流程

用Zemax OpticStuido設(shè)計鏡頭系統(tǒng),并將相應(yīng)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(xué)透鏡導(dǎo)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(dǎo)出為Zemax OpticStudio中的STEP文件,并將其插入到Speos中。

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2.在Lumerical中的光柵設(shè)計,本例中基于波導(dǎo)的AR系統(tǒng)依靠衍射光柵來控制光束在波導(dǎo)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(dǎo)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。

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3.將光柵參數(shù)文件(JSON)作為面屬性導(dǎo)入Speos,對AR系統(tǒng)亞波長衍射光學(xué)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(dǎo)的AR系統(tǒng)相互作用,并從亮度圖中提取關(guān)鍵的人眼感知指標(biāo)。此外,使用observer傳感器從幾個定義的角度對光學(xué)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(shè)置材料光學(xué)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。

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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(xué)系統(tǒng)的傳播可視化。

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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(dǎo)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。

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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(dāng)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(yīng)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(biāo)信息的可識別性。

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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。

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結(jié)論

在本例中使用1-D光柵用于衍射光學(xué)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(shè)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。





審核編輯:劉清

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原文標(biāo)題:Zemax Lumerical Speos 聯(lián)合實現(xiàn)衍射光波導(dǎo)AR系統(tǒng)設(shè)計仿真

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