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ANSYS 部落格
April 1, 2024
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:
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。
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。
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。
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。
Lumerical 的增強功能包括:
OpticStudio 的增強功能包括:
Speos 的增強功能包括:
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」