自由曲面光學設計軟體和原型樣機模擬正在加快將AR和VR設備推向市場的進程。
簡介
眾所周知，非球面和自由曲面理論上能夠提升光學系統的性能，在過去30年間，光學製造業的發展將非球面和自由曲面理論上的優勢變成了現實。光學元件製造商正在向我們證明他們生產的這些光學元件是可靠的。這些革新技術產業的新一代複雜光學面型讓虛擬實境（VR） 和增強現實（AR）頭戴設備成為可能。
|
新興技術：虛擬實境與增強現實
虛擬實境（VR）和增強現實（AR）兩個詞經常同時出現，但這兩種技術實際上處於不同的發展階段。圖一的新興技術炒作週期曲線反映了兩種技術的不同階段。
高德納公司表示，“炒作週期曲線是對每一項新技術或是創新產生的共同模式的圖形化描述。”如圖一所示，AR處於下調預期至低點的階段（Through of Disillusionment），而VR則處於回歸理想階段
（Slope of Enlightenment），正在進入生產率平臺階段（Plateau of Productivity）。在 VR 和 AR 光學設計中均會使用到自由曲面，儘管自由曲面光學設計本身就頗具挑戰性，AR 設計本身也存在一些特有的難點。
|
.jpg) 圖一 高德納諮詢公司（Gartner）於2017年8月發佈的新興技術炒作週期曲線
|
|
示例：AR 頭戴設備設計
圖二展示了 AR 頭戴設備其中一隻眼睛的光學設計示例。每只眼睛都需要採用雙自由曲面棱鏡，因此一套頭戴設備共需四個棱鏡。通過棱鏡A，微顯示器上的光傳遞到眼睛。真實場景的光線先通過棱鏡B，之後再通過棱鏡A傳遞到眼睛。佩戴AR頭戴設備後，你就可以看到真實環境與虛擬物體疊加到了同一個畫面。
通過棱鏡A的光路非常複雜。微顯示器上的光首先經過表面A1。光束在表面A3發生全反射後打到表面A2， 由於A2有做鍍膜處理，所以只有部分光線在表面A2發生反射。最後，來自微顯示器的光束透射過A3表面並傳輸到眼睛。
棱鏡A中的表面A1通常是形狀最複雜的自由曲面，因為它是唯一不會影響真實場景的表面。垂直方向上的高度不對稱使得這一複雜的自由曲面不足以將高品質的圖像從微顯示器傳遞到眼睛。因此，和大多數AR棱鏡設計一樣，示例中對棱鏡A的三個表面都採用了自由曲面面型。
棱鏡B需要將真實世界的光束無相差的傳遞到眼睛。表面B2的形狀是與A2相匹配的自由曲面，這樣兩塊棱鏡就可以膠合在一起。表面B1必須採用自由曲面面型用以消除由棱鏡A引入到場景中的像差，同時校正指向， 讓真實場景在視覺上不會發生偏移。
這種光學設計的複雜性是高德納公司將AR技術放在下調預期至低點階段（Through of Disillusionment）的原因之一。
|
.jpg) 圖二 OpticStudio中AR頭戴設備的光學設計。棱鏡A包括三個自由曲面，分別標注為A1，A2，A3。棱鏡B包括兩個自由曲面，分別標注為B1和B2
|
設計頭戴設備的尺寸和重量
在VR和AR行業中，最普遍的挑戰之一就是設計出更小更輕便的頭戴設備。減小頭戴設備的尺寸和重量可以增加它們的佩戴舒適度。光學設計師在追求使用更極致的自由曲面獲得更薄、更輕的棱鏡的設計。設計師也在嘗試使用更輕，折射率更高的材料，以及像立體透鏡這樣的光學元件。
可以在光學設計的優化過程中對系統的尺寸、體積和重量進行考慮和直接計算。光學設計軟體目前支援幾十種自由曲面面型，例如雙錐面，Toroidal面型，Zernike多項式以及切比雪夫多項式。圖二中的棱鏡表面是採用OpticStudio中的擴展多項式設計的，該方程在x和y的多項式中支持多達230項。
多項式的高階項主要是用來修正像差，但是優化參數的增加會帶來兩個缺點：優化時間變長以及優化參數過於複雜。OpticStudio中序列模式下的光線追跡計算已經非常高效。但是在參數複雜的情況下，優化很可能會受困於局部最小值。基於此，使用自由曲面的光學工程師在優化過程中必須根據經驗限制變數的數量。OpticStudio提供新的優化工具可以有效避免局部最小值，例如錘形優化和全域優化。
先進的軟體分析工具對於改善AR棱鏡設計也至關重要。表面矢高的二維圖，例如OpticStudio中的矢高圖和矢高表，對於將複雜面型視覺化非常有用。這些圖表都需要採用高取樣速率，這樣才能準確表示具有較高空間頻率的自由曲面。
表面曲率和斜率的繪圖同樣有用，例如OpticStudio 中的表面曲率圖和二維通用繪圖工具。在製造過程中，很多自由曲面都會使用電腦生成的全息圖（CGH）進行干涉測試。CGH的解析度限制了自由曲面的最大斜率（減去與自由曲面最匹配的球面）。工程師在優化自由曲面時必須考慮這個斜率約束條件。
AR頭戴設備示例中有一個對稱的平面，但是大多數自由曲面系統是完全不對稱的。對系統性能的分析，例如均方根（RMS）VS. 視場角，不能再假設系統軸向對稱，對系統性能的分析必須基於兩個維度上的所有視場點。此外，系統性能與視場位置呈非線性關係， 在不同位置會顯著變化，因此，對視場進行充分採樣是至關重要的。基於此，OpticStudio將軟體中使用者可以使用的視場點增至超過200個。
投影圖像
對於大多數AR系統，虛擬場景必須和正式環境疊加在一起。對於某些應用，例如汽車上用來顯示儀錶盤的抬頭顯示器，虛擬場景投影到真實環境中的準確位置並沒有十分重要。對於其他一些AR應用，必須精確控制投影圖像的位置。這通常通過在頭戴設備外面增加一個攝像頭來完成，攝像頭可以對真實世界成像並進行分析，以此來確定投影圖像應該出現在什麼位置。
在所有情況下，投影圖像和真實環境成像都必須是 清晰不失真的。光學設計軟體必須能夠讓光學工程 師同時對兩條光路的系統性能進行評估以及優化。在OpticStudio中，可以通過多重結構來實現，每條光路使用一種結構。在優化時，可在優化函數中將兩條光路的RMS光斑大小，畸變，光束指向作為目標進行優化。
|
雜散光
在AR頭戴設備中減少雜散光以免用戶感到用眼疲勞是設計中的另外一個難點。圖三展示了在AR頭戴設備中會進入眼睛的雜散光示例。在分析中可以看到一些異常的亮點。
很多因素都會影響到雜散光，包括自由曲面的設計， 表面鍍膜，頭戴設備的外觀設計以及所使用材料，還有外部環境的光照情況。用來進行雜散光分析的光學設計軟體必須考慮到所有這些情況。
OpticStudio的非序列模式支援雜散光分析。光學工程師可以對表面進行處理和鍍膜，給光學系統導入用於裝配的CAD模型，以及類比不同的照明條件。對自由曲面以及系統結構進行優化可以最大限度地減少進入人眼的雜散光。
解決雜散光的問題需要光學模型與機械模型相輔相成。事實上，將任何產品投入市場都需要光學工程師、機械工程師、結構工程師以及材料工程師之間的緊密協作。優秀的軟體工具鼓勵協作並且著力於統一各規程使用的不同軟體工具。例如，機械工程師可以使用LensMechanix（同樣由Zemax公司出品）為從OpticStudio中載入的光學系統設計機械結構，並評估機械結構對系統光學性能的影響。LensMechanix 是Zemax原型樣機模擬套件中的一款軟體，這組套件能夠説明光學工程師與機械工程師在產品設計階段就對完整的產品進行建模仿真，從而將產品更快推向市場。
|
.jpg) 圖三 基於圖二設計的AR棱鏡，通過OpticStudio中的探測器顯示進入人眼的雜散光
|
即將到來的AR創新
製造技術，測量方法以及軟體的進步讓新一代的光學自由曲面成為可能，並直接影響了AR和VR產品的上市速度。然而，對於VR/AR技術，想要進入主流消費市場，依然還有一些設計上的挑戰需要克服。業內專家一致認為我們最終會攻克所有難點——儘管短期內
業務聯絡：ansys_sales@cybernet-ap.com.tw
