眼见为实：Ansys光学解决方案推动现代消费类电子产品中AR/VR的微型化发展

在疫情高峰时期，隔离封锁措施促使演艺人员寻找更具创意的方式来接触观众。2020年，说唱歌手Travis Scott以游戏角色的身份出现在Epic Game旗下游戏《堡垒之夜》（Fortnite）中。这位歌手在这个虚拟世界中表演了15分钟，吸引了1230万观众。¹

此后，元宇宙便以惊人的速度持续扩展，涵盖了各类虚拟世界，您可以在其中社交、购物，甚至在自己选择的虚拟家园中落座。增强现实（AR）和虚拟现实（VR）是元宇宙发展的基础技术，使虚拟空间能够与现实世界交互。展望未来，人们预期，支持AR/VR头戴式显示器和智能设备的光学系统也将随之发展。

Ansys光学事业部首席应用工程师Michael Cheng表示：“手机摄像头及其他设备制造商都在尝试在AR/VR中实现越来越高的图像质量，这是一种趋势。如今，传统透镜在现有尺寸限制下，已达到了性能极限（目前最好的智能手机摄像头模块中已经有七到八个透镜）。许多公司正在寻求新颖的解决方案，例如超透镜（由微观钛结构组成的石英板），以替代传统光学器件中的玻璃透镜，从而在更紧凑的尺寸下实现更佳性能。”

本文重点探讨的Ansys解决方案，旨在通过创新提升嵌入在消费类电子设备（包括智能手机）中的AR/VR系统的光学性能。是什么推动了消费者对这些应用的需求？仿真如何帮助制造商更好地满足这些需求？ 

AR与VR：有何本质区别？

AR和VR制造商面临着特定的设计挑战。这项技术并非全新概念，但其正在快速发展，因为设计人员和企业纷纷开始探索非常规的解决方案，使新的趋势逐渐成型。从光学角度来看，无论是设计护目镜还是智能手机，核心挑战在于如何在设备尺寸不断缩小的情况下，满足增长的性能需求。

AR

我们先从AR说起，该技术利用计算机生成的信息，使用户在看到真实世界的同时获取叠加的虚拟信息。在这些应用中，感知信息叠加覆盖在自然3D环境之上，对用户视野中的内容进行增强与补充。该技术已广泛用于产品、商品和服务的营销推广中。比如，零售商常常使用AR来为消费者打造更具吸引力的购物体验，例如帮助他们可视化家具在家中特定房间的摆放效果。

虚拟现实

VR则是一种计算机仿真技术，可构建出虚拟环境，使用户在数字生成的虚拟世界中获得沉浸式体验。VR的应用不仅局限于营销或娱乐，其模拟预测能力使其能在多个领域发挥价值。通过头戴式设备，VR使用户能够进入计算机生成的场景，通过情景体验学习重要信息——无论是士兵进行作战准备，还是医生进行手术训练。

AR/VR应用发展的驱动因素

在AR领域，技术进步主要受到系统紧凑化和轻量化需求的推动，以满足消费类电子产品应用的需求，确保其佩戴舒适且时尚。更小的模块设计和更好的成像性能，是推动AR系统发展的主要因素。例如，需确保AR头戴式设备佩戴者观看到的图像足够明亮，且在强光条件下依然清晰可见。打造一款适合各种场景的轻量化、紧凑型高亮度显示器，无疑是一项重大挑战。

VR领域同样注重轻量化应用，但由于消费者预期差异，这一趋势并不十分明显（部分原因是，在消费者的认知里这类设备理应比较笨重）。对于VR而言，核心挑战在于实现足够高的分辨率和景深——也就是物体能清晰成像的最远距离。

Cheng表示：“目前，市场上的大多数立体VR产品（可为用户提供更逼真的沉浸式体验，且体积较小）仅支持每只眼睛的单个图像位置。事实上，许多公司和实验室已开发出具有多个图像位置的解决方案，以扩大景深范围，但这些方案尚未成熟，无法进行大规模生产。”

利用Ansys光学系统仿真探索光线路径设计

Ansys为AR/VR应用的光学系统设计与仿真提供了综合全面的解决方案。Ansys Zemax OpticStudio中的光线追迹功能，可用于对光线在这些复杂系统中的传输路径进行仿真——模拟光线从图像生成单元（PGU，即提供原始成像的模块），经过透镜和波导，最终抵达设备佩戴者的眼睛。在OpticStudio中，可以对系统的光学性能与亮度进行全面分析，以确定与成像性能相关的许多变量，包括分辨率和景深感知。最近的软件增强功能还支持将Ansys Lumerical光子学仿真直接集成到OpticStudio中，为企业优化AR/VR系统构建了强大的工作流程。

Cheng指出：“集成Lumerical后，可以对波导中使用的新型衍射光学元件（DOE）进行完整仿真，从而更好地了解整体系统性能。”这些元件的独特的光波调控能力，可支持AR/VR应用，这是传统折射透镜无法实现的。然而，如果没有仿真，DOE的制造成本通常会更高。”

支持AR/VR应用的消费类设备正变得越来越小巧、运行速度越来越快，因此需要更节能的设计。OpticStudio与Lumerical相结合，可以帮助设计人员开发更高效的光学系统，减少从PGU到佩戴者眼睛的光线损失，从而实现目标设计——不仅可以生成更高亮度的图像，而且还能帮助设计人员降低小型电子产品对PGU亮度、功耗和散热的要求，从而缩小系统尺寸，并提高整体效率。

Ansys Speos成就三强联合

当Ansys Speos光学系统设计与验证软件加入上述组合中时，会发生什么情况？OpticStudio、Lumerical和Speos协同工作，提供了完整的光学解决方案，能够助力企业更快地构建更小型的消费类电子AR/VR系统原型，缩短产品上市进程，并帮助制造商保持技术竞争优势。

在上述协调工作流程中，首先，由Lumerical对纳米尺度的光学效应进行仿真。生成的数据会被传输到OpticStudio中，后者提供相应工具，能够基于这些信息来完成毫米至米尺度的组件和系统设计。然后，Speos可以将光学器件集成到更大的系统模型中，并纳入人眼视觉的属性，这些属性对于评估各种AR/VR消费类解决方案的质量和体验都至关重要。

Cheng表示：“Ansys提供了一套独特、无缝衔接的工具，涵盖AR/VR设备设计的各个方面。您可以使用Lumerical处理所有亚波长结构，例如光栅、偏振器、薄膜或四分之一波片等。在OpticStudio中，您可以利用来自Lumerical的数据对整个系统进行设计、优化和公差分析，然后使用Speos验证系统在人眼感知、环境效应和杂散光方面的表现。”

如果希望进一步了解Ansys解决方案以及其如何帮助您解决AR/VR领域的特定光学挑战，欢迎申请免费试用Ansys Zemax OpticStudio和Ansys Speos。

1.  'Fortnite' virtual rap concert draws record 12.3M attendees（《堡垒之夜》虚拟说唱音乐会吸引创纪录的1230万观众），Marketing Dive，2020年4月27日。