感知即相信：Ansys 光學解決方案促成現代消費性電子產品中 AR/VR 微型化

在疫情高峰期間，隔離帶來的孤立感，促使娛樂產業尋找更具創意的方式與觀眾互動。2020 年，饒舌歌手 Travis Scott 化身為 Epic Games 遊戲《Fortnite》中的一名角色，出現在主機遊戲玩家面前。這位歌手在虛擬世界中展開 15 分鐘的表演，共有 1,230 萬名觀眾參與¹。

從那時起，元宇宙持續以驚人的速度擴展，涵蓋各種虛擬世界，讓人們可以在其中社交、購物，甚至坐在自己所選的虛擬住家餐桌旁。擴增實境 (AR) 與虛擬實境 (VR) 是推動元宇宙擴展的核心技術，讓人們能以真實世界中的互動為基礎體驗虛擬環境。展望未來，支援 AR/VR 頭戴式顯示器與智慧裝置的光學系統，預期將有並駕齊驅的發展。

「我從手機相機與其他裝置看到一種趨勢，製造商正致力於在 AR/VR 實現愈來愈優異的影像品質。」Ansys 光學團隊首席應用工程師 Michael Cheng 說。「他們目前已達成傳統鏡頭在現有尺寸內所能實現的效能極限 (最好的智慧型手機相機模組含有七至八個鏡頭)。許多公司正尋求創新解決方案，以取代傳統光學所用的玻璃鏡頭，藉此在更小尺寸下達到更佳效能，超穎透鏡 (由細微鈦結構組成的石英片) 即是一例。」

這次的討論著重於 Ansys 解決方案，這些方案針對消費性電子裝置 (包含智慧型手機) 內建 AR/VR 系統所需的光學創新進行改善。推動消費者對這些應用的需求有哪些？模擬又是如何協助製造商更妥善滿足這些需求？ 

AR 對 VR：有何不同？

AR 與 VR 製造商面臨到特定設計挑戰。這項技術雖非新穎，如今卻快速演進，設計師與企業於是採取有別於傳統的解決方案，以期因應諸多新興趨勢。從光學的角度來看，無論是設計護目鏡還是智慧型手機，挑戰在於如何將快速提升的預期效能，整合至日益縮小的封裝設計中。

AR

我們先從 AR 開始，其透過電腦產生的資訊，即時增強真實世界的環境。在這些應用中，感知資訊本質上是疊加於自然的 3D 環境之上，藉此增強四周的既有世界。它被廣泛應用於產品、商品與服務性行銷推廣中。零售商常用於為消費者打造更具吸引力的購物體驗，例如協助他們想像家具放在家中某個房間的模樣。

VR

VR 是一種人工世界的電腦模擬技術，能讓您沉浸於全新的人造環境之中。VR 不僅用於行銷或娛樂目的，還由於具備預測能力而獲得廣泛運用。VR 透過頭戴式裝置，讓使用者進入電腦產生的場景，親自體驗以掌握重要資訊，例如士兵備戰或醫生接受手術訓練。

推動 AR/VR 應用邁向變革的助力

在 AR 領域，技術變革主要是受到需求驅動，這些系統必須輕巧，才適用於消費性電子產品，並提供舒適與時尚兼備的穿戴體驗。模組設計更小與成像效能更佳，正是推動 AR 系統發展的主要因素。例如，AR 頭戴式裝置佩戴者所見的影像，應具備充分的亮度，才得以確保在陽光充足的環境下清晰可見。設計輕量化、小型化且具高亮度的顯示器，還能適用於各種不同環境，無疑是一大挑戰。

VR 方面同樣強調輕量化應用，但相對需求較低，部分原因是消費者原就預期 VR 系統會稍顯笨重。VR 的挑戰在於如何達到夠高的解析度與景深，基本上就是物體能獲得清晰聚焦的距離。

「目前的市售立體 VR 產品 (能為使用者提供更真實、的沉浸式體驗且無笨重感)，多數僅支援對應各眼的單一影像位置。」Cheng 表示。「事實上，許多公司與實驗室已開發出具備多個影像位置的解決方案，藉此提供更出色的景深範圍，但這些技術未臻成熟，無法進入量產階段。」

藉助 Ansys 光學系統模擬探索光線路徑

Ansys 提供全方位解決方案，協助設計並模擬適合 AR/VR 應用的光學系統。Ansys Zemax OpticStudio 的光線追蹤功能，可用於模擬光線在這些複雜系統中的路徑：即是從影像生成單元 (PGU，一種提供原始影像的模組)，經由透鏡與波導，最後進入使用者眼睛。在 OpticStudio 中，可以完整分析系統的光學效能與亮度，藉此決定與成像效能相關的多項變數，包括解析度與景深感知。近期的軟體增強功能，亦讓 Ansys Lumerical 光子學模擬能直接整合至 OpticStudio，為企業打造能力強大的工作流程，以改善其 AR/VR 系統。

「加入 Lumerical 可完整模擬用於波導的新型繞射光學元件 (DOE)，以利更充分理解整體系統效能。」Cheng 說道。「這些元件在塑造光波以支援 AR/VR 應用方面的獨特能力，傳統折射鏡頭無法相比擬。然而，若沒有模擬，DOE 的製造成本通常會更高。」

支援 AR/VR 應用的消費性裝置正不斷變得更小巧更快速，所以需要更高能源效率的設計。OpticStudio 結合 Lumerical 後，能幫助設計人員開發更有效的光學系統，減少從 PGU 傳遞至使用者眼睛過程中的光損耗，進而達成這些目標。這不僅能產生亮度更高的影像，還能協助設計人員降低小型電子產品 PGU 對於亮度、功率與散熱的要求，縮減系統尺寸，同時全面提升效率。

Ansys Speos 成為第三個關鍵

若將 Ansys Speos 光學系統設計與驗證軟體納入其中，會有什麼效果呢？OpticStudio、Lumerical 與 Speos 搭配使用，能提供完整的光學解決方案，協助加速打造小型消費性電子 AR/VR 系統原型，縮短上市時間，並協助製造商在技術方面維持競爭優勢。

首先，Lumerical 在奈米等級模擬光學效應。模擬產生的資料會輸入 OpticStudio，該軟體提供的工具，能在公釐至公尺等級上設計元件與系統。接著，Speos 可以將光學整合至更龐大的系統模型，並納入人眼視覺特性，這一點對於評估任何 AR/VR 消費性解決方案的品質與體驗至關重要。

「Ansys 提供一套無縫連結的獨特工具，徹底涵蓋 AR/VR 裝置設計的所有層面。」Cheng 表示。「您可以使用 Lumerical 處理所有亞波長結構，例如光柵、偏光片、薄膜或四分之一波板。在 OpticStudio 中，您可以利用 Lumerical 的資料設計、最佳化並分析整個系統的公差，然後透過 Speos 驗證系統在人眼感知、環境影響與雜散光方面的表現。」

您若仍想進一步瞭解 Ansys 解決方案，以及這些方案如何協助解決 AR/VR 的特定光學挑戰，請註冊取得 Ansys Zemax OpticStudio 與 Ansys Speos 免費試用版。

1.  《Fortnite》虛擬饒舌演唱會創下 1,230 萬人參與記錄，Marketing Dive，2020 年 4 月 27 日。