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ANSYS 部落格

April 1, 2024

Ansys 2024 R1 中的光學模擬增強功能

小型化是當今光學產業的主要設計目標之一。最新版 Ansys 2024 R1 中，我們在光學求解器加入新功能，讓微型化變得更快速、更容易且更經濟實惠。應用範圍包括：

  • 讓內視鏡攝影機更小，以減少醫療操作中造成組織損傷的可能。
  • 讓擴增實境眼鏡佩戴起來更舒適 (更輕、更精巧、平衡且時尚)讓飛行員或外科醫生能夠長時間佩戴。
  • 減少手機相機鏡頭的重量和體積，為使用者顯示器和嵌入式人工智慧 (AI) 元件騰出更多空間。    

我們光學模擬解決方案中的新功能大幅改善了 Ansys Lumerical、Ansys Zemax OpticStudio 和 Ansys Speos 的工作流程，確保工程師能夠趕上緊迫的交付期限。

OPtical design exchange with Speos

超穎透鏡的挑戰

微型化的一個關鍵是超穎透鏡的開發。超穎透鏡是一種平坦、薄型的光學元件，由次波長的超穎原子組成，能操控電磁 (EM) 波，將光聚焦或擴散成特定的圖樣。總體而言，超穎透鏡可用來製造比傳統玻璃鏡頭小得多、輕得多的裝置。

但若要讓超穎透鏡在自動駕駛車輛攝影機、AR/VR 頭戴裝置或內視鏡等大型系統中發揮功能，就需要三層設計與分析。這些層次涵蓋了從個別超穎原子的奈米尺度，到超穎透鏡本體的宏觀尺度，再到將超穎透鏡整合進完整系統中。 

Speos Optics R1 HMD tracking

Ansys 光學模擬軟體在這三個層級上提供完整的端對端解決方案，而在 2024 R1 中，我們已為此軟體套件加入新功能，使超穎透鏡的設計流程變得更快速、更容易。

從 Lumerical 開始 — 該工具運作於波長尺度 — 工程師可以定義超穎原子的形狀、材料與排列方式，然後使用嚴謹耦合波分析 (RCWA) 模擬超穎透鏡中所有超穎原子的變化。接著他們可以將超穎透鏡結構匯出為 HDF5 (.h5) 資料檔，用於 OpticStudio 中的建模與模擬。在那裡，超穎透鏡被視為大型宏觀系統中眾多元件之一，於此系統中光波可以更簡單地建模為幾何光線。

設計人員隨後可以模擬包含一個或多個超穎透鏡及其他元件的完整光學系統，並分析如光斑大小、調變轉換函數 (MTF) 及點擴散函數 (PSF) 等效能指標。一旦達到所需的光學成像品質，完整的光學系統 (包含所有超穎透鏡) 可以透過 OpticStudio 中的「匯出降階模型至 Speos」功能匯出至 Speos 進行系統層級的模擬。在 Speos 中，完整光學系統可於 3D 環境中進行模擬，包含人工與自然光源，以及用於鏡頭固定、雜散光抑制等的真實光機元件。

在 2024 R1 中，.h5 檔案已更新為包含多個入射角度的資訊，以及穿透率、偏振與相位的資訊。我們也進行了重大改善，將檔案大小較前一版本縮小五倍，以便於資料交換。我們開發了新的 DLL，可從 .h5 檔案中讀取延伸資料至 OpticStudio，以直接建模超穎透鏡。 

Direct index

系統層級工作流程

微型化光學仍需整合至宏觀光學系統中，因此系統層級的設計與模擬仍是工作流程中的關鍵部分。可實現從元件層到系統層快速且高效率的資料交換，並支援系統層快速分析與設計的工具，這對設計至關重要。

為此，我們開發了一套簡化工作流程，用於將光學設計資料 (例如鏡頭幾何形狀與光學特性) 從 OpticStudio 匯入至 Speos。此外，針對攝影機感應器中的主光線序列所進行的新型快速分析，已與 Speos 中最新的光學設計交換功能相容。

此外，Lumerical 次波長模型 (LSWM) 插件的 GPU 加速版本已完全相容於 Speos GPU，適用於擴增實境應用程式。加入對 GPU 加速的支援，可使模擬時間在一般筆記型電腦上縮短 20 倍，在 GPU 叢集上則可縮短 100 倍以上。

GPU and Weblic

特定解決方案的產品增強功能

Lumerical 的增強功能包括：

  • Lumerical 時域有限差分 (FDTD) 求解器的 GPU 加速功能提升，具備更快速的網格產生與多 GPU 擴充記憶體容量。
  • 一個基於 SLURM 排程器的新型可擴充叢集解決方案，用於在 Amazon AWS 和 Microsoft Azure 叢集上部署 Lumerical 產品，特別是 FDTD。
  • 新的 Klayout 與 Lumerical Multiphysics (CHARGE、HEAT 或 FEM) 直接橋接功能，用於元件設計。
  • CHARGE 與 MQW 求解器現支援新功能 (例如層間混合、應變誘發極化、氮化物綠光與藍光材料支援)，用於完整的 2D 光電微型 LED 模擬。
  • Lumerical INTERCONNECT 中新增頻率雜訊頻譜分析器，可用於分析雷射光源的雜訊頻譜。
  • 所有 Lumerical 求解器的使用者介面新增深色模式。

OpticStudio 的增強功能包括： 

  • 新增相位限制最佳化的運算元，以確保超穎透鏡與其他全像元件的可製造性。
  • 新的 DLL 可讀取由 Lumerical 設計的超穎透鏡資料，讓這些超穎透鏡能直接在 OpticStudio 中建模。
  • Speos 中新增「匯出光學設計」工具，可將 OpticStudio 鏡頭設計中的支援幾何與光學參數匯出為 .odx 檔，並可直接匯入 Speos。
Metalens DLL

Speos 的增強功能包括：

  • Speos 即時預覽新增使用者介面，提供更舒適且更直覺的操作體驗
  • 增強的降階模型 (ROM) 用於在 OpticStudio 中設計的攝影機感應器，可透過考慮幾何與色差，於 Speos 中更準確地模擬攝影機成像
  • 新增頭戴式顯示器 (HMD) 追蹤相容性，以提供完整沉浸式的模擬體驗

若要進一步瞭解 Ansys 光學求解器的最新增強功能，請觀看網路研討會「Ansys 2024 R1 光學的最新功能」