Ansys Zemax | 建立增强现实头戴式显示器
软件: ANSYS
增强现实AR系统的多路径架构与自由曲面光学应用
在设计一种优化的目标为增强现实（AR）透视头戴式显示器（OSTHMD）时，我们必须对系统进行优化，重点是确保虚拟内容与现实场景能精确融合实现真实的交互体验。此技术具有广泛的应用前景，特别是在军事和医疗辅助服务中。设计AR头戴式显示器（HMD）时，需要构建两个关键的光路：一是微显示器的投影路径（光学内容来自真实世界映射），二是提供用户实际世界可见性的透视路径（允许户外活动与虚拟元素并存）。为了实现这一目标，设计者必须精心构建光学系统，确保获得最佳AR显示效果，并提供大视场（FOV）、小焦比等特性。
在整个优化设计过程中，楔形自由曲面棱镜（FFS prism）和胶合辅助镜头（cemented auxiliary lens）扮演了不可或缺的角色。此系统通过序列模式操作，结合了倾斜表面、偏心处理技术以及自由曲面设计，以最小的光学组件实现高效光路转换，并大幅减少了其重量。向下文将详细阐述这一设计过程。
设计基础与参考专利
设计框架遵循了专利US 2014/0009845 A1中提到的亲和特性，该专利阐述了使用楔形FFS棱镜及其相应辅助光学组件建立HMD的基本方法。设计过程包含大量倾斜与偏心技巧的运用，通过简化单一流线模拟，确保光线精确通过光学组件后产生预期效果。
接线与几何调试
在启动物理系统构建时，注意保持系统结构的简洁性与非侵入性，确保优良的前视点（FOV）表现。定义视场遵循专利指导精神，尽可能多的选取视场点以确保全方位优化。对于非旋转对称系统的优化，需更细致地定义X和Y方向上的特定视场。
全反射（TIR）处理
在通过FFS棱镜等多个倾斜或偏心表面组模时，全反射（Total Internal Reflection, TIR）验证必不可少。专利提供的参数显示，临界角约为42.09度，此值对实际应用至关重要。针对不同路径（微显示器与外界光路），操作系统在定位、光束成像与折射曲面的几何关系中予以精细调整。
优化流程与结构定义
优化工作的第一步是设置系统参数，根据不同导航和传输效率需求，正确定义光瞳和入瞳。光瞳模拟的焦点位置需要精调，确保适应真实世界的光照条件。在此过程中，补偿孔径大小的变化对于优化结果至关重要。
优化总体目标是减少系统波前误差，运作效率以设计中心点为基准评估。在优化过程中，增加采样环和臂数量，直至达到理想状态。在约束条件设置上，考虑因素包括有效焦距、光路长度、全局坐标、倾角、偏心度以及映射表现等物理指标。
模型分割与光路调整
优化完成第一光路——投影路径后，开始构建并调整第二光路，即透视路径。这一过程涉及使用多重结构编辑器（MultiConfiguration Editor）对系统进行物理分割，以便更精细地进行目标优化与表面特性调整。在建议设计的变更导向下，自由度的提升利用户更加细致地调整光学组件，减少畸变并改善观感。
模拟分析与性能评估
本文运用Huygens PSF分析方法进行模型系统性能评估。增量工具帮助用户探索优化过程中的矢高和曲率变化。视场光焦图（Field Map）分析则提供全面视角下的系统表现评估，确保使用者能够适应清晰、高清的立体显示。
在设计一种优化的目标为增强现实（AR）透视头戴式显示器（OSTHMD）时，我们必须对系统进行优化，重点是确保虚拟内容与现实场景能精确融合实现真实的交互体验。此技术具有广泛的应用前景，特别是在军事和医疗辅助服务中。设计AR头戴式显示器（HMD）时，需要构建两个关键的光路：一是微显示器的投影路径（光学内容来自真实世界映射），二是提供用户实际世界可见性的透视路径（允许户外活动与虚拟元素并存）。为了实现这一目标，设计者必须精心构建光学系统，确保获得最佳AR显示效果，并提供大视场（FOV）、小焦比等特性。
在整个优化设计过程中，楔形自由曲面棱镜（FFS prism）和胶合辅助镜头（cemented auxiliary lens）扮演了不可或缺的角色。此系统通过序列模式操作，结合了倾斜表面、偏心处理技术以及自由曲面设计，以最小的光学组件实现高效光路转换，并大幅减少了其重量。向下文将详细阐述这一设计过程。
设计基础与参考专利
设计框架遵循了专利US 2014/0009845 A1中提到的亲和特性，该专利阐述了使用楔形FFS棱镜及其相应辅助光学组件建立HMD的基本方法。设计过程包含大量倾斜与偏心技巧的运用，通过简化单一流线模拟，确保光线精确通过光学组件后产生预期效果。
接线与几何调试
在启动物理系统构建时，注意保持系统结构的简洁性与非侵入性，确保优良的前视点（FOV）表现。定义视场遵循专利指导精神，尽可能多的选取视场点以确保全方位优化。对于非旋转对称系统的优化，需更细致地定义X和Y方向上的特定视场。
全反射（TIR）处理
在通过FFS棱镜等多个倾斜或偏心表面组模时，全反射（Total Internal Reflection, TIR）验证必不可少。专利提供的参数显示，临界角约为42.09度，此值对实际应用至关重要。针对不同路径（微显示器与外界光路），操作系统在定位、光束成像与折射曲面的几何关系中予以精细调整。
优化流程与结构定义
优化工作的第一步是设置系统参数，根据不同导航和传输效率需求，正确定义光瞳和入瞳。光瞳模拟的焦点位置需要精调，确保适应真实世界的光照条件。在此过程中，补偿孔径大小的变化对于优化结果至关重要。
优化总体目标是减少系统波前误差，运作效率以设计中心点为基准评估。在优化过程中，增加采样环和臂数量，直至达到理想状态。在约束条件设置上，考虑因素包括有效焦距、光路长度、全局坐标、倾角、偏心度以及映射表现等物理指标。
模型分割与光路调整
优化完成第一光路——投影路径后，开始构建并调整第二光路，即透视路径。这一过程涉及使用多重结构编辑器（MultiConfiguration Editor）对系统进行物理分割，以便更精细地进行目标优化与表面特性调整。在建议设计的变更导向下，自由度的提升利用户更加细致地调整光学组件，减少畸变并改善观感。
模拟分析与性能评估
本文运用Huygens PSF分析方法进行模型系统性能评估。增量工具帮助用户探索优化过程中的矢高和曲率变化。视场光焦图（Field Map）分析则提供全面视角下的系统表现评估，确保使用者能够适应清晰、高清的立体显示。
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