Ansys Zemax | 利用 TrueFreeForm 面进行网格自由曲面的优化

使用 OpticStudio 的 TrueFreeForm 面优化 AR/VR 设备中人眼追迹系统的设计

介绍

在使用 OpticStudio 中实现 AR/VR 设备的光学设计时，我们必须熟练掌握各种高阶面型的使用方法和其在光学设计中的优势。本文将专注于介绍如何运用 TrueFreeForm 面型在 AR/VR 设备中设计人眼追迹系统，以及如何通过优化子孔径矢高（subaperture sag）以提升系统的影像质量。我们的目标是透过 TrueFreeForm 面的能力，使其不仅在全局优化中发挥作用，还能针对特定局部区域进行深度优化。

TrueFreeForm 面介绍

TrueFreeForm 面是 OpticStudio 中的一种序列模式下的界面元素，具备多项式和网格矢高（gridbased sag）两种特性结合的能力。使用该面型设计时，允许将每个网格矢高定义的点作为单独优化的目标，能够以非参数化的方式调整矢高，这为局部优化提供了灵活的控制层。

设计背景

在设计过程中，我们会遇到多个面型如双锥 toroidal、偶次项非球面、Zernike 标准矢高、扩展多项式等。TrueFreeForm 面能够整合这些面型的优点，同时允许在有限功能或需要高度精细化局部优化时应用子区域优化。这种灵活性在实现高级光学系统设计时尤为重要。




网格矢高优化的核心优势

相对于参数化优化，网格矢高优化（gridbased sag optimization）具有显著优势。由于采用双三次样条插值，每个矢高数据点的影响仅限于其相邻的四个点集。这意味着操作在一个局部区域内进行，相对较少的变量数可以实现精确的优化，避免全局变化对特定区域的影响。

优化系统设计的步骤与考虑


设计案例基于 TrueFreeForm 面的网格优化

针对一个具有自由曲面楔形棱镜的头戴式透视显示器设计，引入了一个近红外(NIR)人眼追迹系统，该系统由三个相同的光学表面，以及一个用于聚焦的楔形透镜构成。首先，我们使用扩展多项式描述表面，然后通过微显示器的优化和人眼追迹系统的集成，对成像和局部矢高优化进行了联合调整。

定义矢高变量

首先注意到红外光束在特定光学面(S3)上成像路径的清晰分隔与微显示器的光迹。在进行表面优化时，我们将微显示器自身优化所使用的扩展多项式保持不变，集中优化仅需调整的粒子区域。这允许我们利用散布的红外光束对人眼追踪系统进行局部优化，而微显示器的更大面积则保持原先优化的状态。

优化过程的考量

在网格矢高优化初期，我们定义了一个空白网格文件，初始赋值为零以作为优化的起点。随后，仅通过优化右侧网格矢高的一半区域并利用对称性，自动扩充至整个表面，从而显著减少了潜在的变数数量，确保每个变量的优化影响明确而可控。

结果分析

优化结果表明，在保持微显示器成像质量稳定的前提下，NIR人眼追踪系统的图像质量实现了显著改善。尤其是像散数量级的减少与MTF指标的提升更使得追踪精度达到了预期目标，进而提升了AR/VR设备在真实感官交互体验的支持性。

面临的局限与解决方案

在进行网格矢高优化时，必须仔细平衡表面结构的连续性和优化效率。过度细化的格网布局可能导致优化过程耗时和效率降低，限制了可能性选择；过简的布局又可能导致不准确的优化结果。解决这一问题的方法包括限制性能区域的斜率边界以保持设计的连续性，以及通过调整特定区域（如RMS斜率）的计算方式，灵活控制优化范围内的几何形状。

本文详细介绍了 OpticStudio 中 FalseFreeForm 面使用及优化在 AR/VR 设备人眼追迹系统中的应用，着重强调局部优化的策略、网格矢高的定义方法、优化过程的关键步骤及其效果分析。通过合理的部署优化资源，设计师可以高效地提升光学系统的性能指标，满足高端设备的严苛需求。