Zemax Lumerical Speos 联合实现衍射光波导AR系统设计仿真

基于Zemax、Lumerical与Speos的单色AR系统光学性能仿真综述


概览

增强现实（AR）技术融合了虚拟与现实世界，使用户能够在自然环境中实时查看增强的信息。本文将深入探讨基于Ansys的完整光学解决方案对瞳孔扩展器（EPE）衍射光栅构成的单色AR系统进行设计与分析。利用Zemax OpticStudio设计发射透镜系统，结合Lumerical的光栅结构模拟，最终在Speos中实现该系统的整体性能分析。此工作流程创新地捕获了透镜布局与光栅微结构间的相互作用，并在照明场景下准确展现视觉效果。

设计流程


Zemax OpticStudio与Speos的交互




1. 透镜设计与信息导入：使用Zemax OpticStudio设计并构建发射透镜系统的CAD模型，通过Zemax OpticStudio界面将其信息导出，再使用Speos的Zemax光学透镜导入工具进行转换，或通过将透镜数据保存为STEP文件，并将其导入Speos。这种方法确保了光学系统设计的准确传输，为后续的光学性能仿真奠定了基础。

光栅设计在Lumerical中

旋转波导AR系统的制造依赖于衍射光栅，通过Lumerical的三维求解器RCWA（Rigorous CoupledWave Analysis）或FDTD（Finite Difference Time Domain）进行精细计算。SIMUs Grating Designer软件生成的光栅模型存储为JSON数据文件，描述了透镜表面微结构的所有参数，包括不同入射角和波长的特征，后导入到Speos中，实现亚波长光学属性的精确模拟。

Speos中的系统级分析

将简化后的光栅描述导入Speos，进行图像光学系统的整体性能研究与验证。通过光线模拟和光辐射分析在三维环境中估算系统性能，包括光能分布、人眼感官效果等关键指标。同时，利用Speos中的探测器功能，如亮度传感器或观察者传感器，实现对系统在多种环境场景下的立体、多角度性能评估。

结果分析


Speos操作与数据整合

材质属性设定：配置系统组件的光学属性，包括光栅面的插件选择与参数设置，确保Lumerical的亚波长结构属性在Speos内的准确再现。

光束路径可视化：通过交互式光线追踪仪，可动态模拟光束通过光学系统的路径，展示衍射光散射后形成的方向性光束。

光照均匀性评估：利用照度传感器收集射线路径信息，分析光能分布的均匀性和光系统的整体辐射特性。

系统级人眼效果：通过观察者传感器模拟人眼视敏度，实现对AR系统复杂光照环境下的视觉感知评估，精细化调整系统参数，提升用户体验。

结论

本文提出的Zemax OpticStudio、Lumerical与Speos三者结合的仿真流程，为设计与分析基于关键AR元素（如EPE衍射光栅与投影透镜）的单色AR系统提供了一套全面的解决方案。该方案不仅实现了光学部件间的高保真交互，还确保了照明场景下的视觉效果准确再现，对增强现实产品的设计、优化与品质提升有重要价值。

创新与发展

自定义光栅实验：随着用户体验的多样化，允许用户利用自定义1D或2D光栅，适应更复杂或个性化的应用需求，优化视觉效果。

深度视觉感知优化：引入并调整人眼感知参数，更好地反映不同环境和光照条件下的真实视觉感知，为AR设备集成的硬件优化提供依据。

此联合方案创新性地将多软件工具的优势整合于单个AR系统的分析与设计中，极大地提升了产品性能预测与优化的精准度与效率，为AR技术的提升提供了强大支持。

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