案例研究
「Ansys Zemax OpticStudio 在幫助我們證明高度實用的全新波導系統的能力，以及設計一個立即可應用於各種製造場景的模型中，都發揮了相當重要的作用。」
──Pierre-Alexandre Blanche/亞利桑那大學 Wyant 光學科學學院研究教授
新興科技市場持續為波導光學提供創新機會，在這其中，光譜中的電磁波被限制並導引穿過裝置，以為光學系統產生各種不同的傳輸方式。擴增實境 (AR) 系統 (例如穿戴式裝置或抬頭顯示器 (HUD)) 通常使用製作出的全像光學元件 (HOE)，將光耦合進波導中，將顯示引擎的光傳送至使用者眼睛。結果是讓使用者在全像 AR 空間中的沉浸感愈發逼真，虛擬資訊被視覺性地疊加於真實世界之上。
挑戰
全像波導是用於抬頭顯示器 (HUD) 的理想合成器類型，因為它們能在保持視場 (FOV) 的同時提供更大的眼動區域。這是其他類型的合成器難以實現的。迄今為止，大多數商業上成功的全像波導皆採用平面表面與使用者介面連接。曲面會更為理想──例如一個更貼合使用者頭部、提供最大視場 (FOV) 的 AR 頭盔。然而在波導設計中，使全像投影曲面化會導致影像產生像差，因此為 HUD 與 AR 設計曲面合成器變得更加困難。
近眼顯示 (NED) 系統的物理需求進一步增加了這種複雜性。在 NED 系統中，整體裝置必須足夠輕巧以支援佩戴便利性，同時仍需容納關鍵元件。瞳孔複製式合成器有助於縮小投影元件及整體尺寸，但在光學系統中，瞳孔複製傳統上也僅限於平面波導。
曲面波導中的光傳播示意圖，顯示與曲面交互作用而易於產生影像像差的各種情況
插入全像幾何修正，顯示所誘發的矢狀光線焦點 (綠色) 以及由波導表面全內反射所形成的虛擬焦點 (紅色)
工程解決方案
使用 OpticStudio，設計出一套光學系統，透過 HO進行傳播校正，以驗證曲面波導作為合成器的可行性。光線在波導內被聚焦與展開，產生類準直狀態，使曲面波導的傳播與影像擷取幾乎無像差，並維持在極適合商用 AR 裝置生產的參數範圍內。
透過 HOE 進行的瞳孔複製，會使用插入全像在全內反射條件下傳播光線。該光線接著到達擷取全像，校正出射光，使觀看者看到單一影像。在其曲面波導設計中，平衡光線於波導中傳播時的展開與聚焦方式，及其與系統上下表面的互動方式，是一項關鍵因素。當此平衡達成後，即可調整擷取全像，使其在曲面玻璃上出射的光線產生的像差最小化。
效益
- 針對預失真影像進行預測修正模擬。
- 針對可修正影像解析度的全像光學元件進行光線追蹤。
- 在實體建構前，進行影像繞射的耦合波分析以最佳化系統。
範例 HUD 影像投影於曲面擋風玻璃上，經校正波導 (a) 所見影像與未校正波導 (b) 所見影像對照，後者產生 2.4 度的影像重影
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