Ansys光学解决方案在A/VMR中的应用-以Apple Vision Pro为例

说明

苹果公司于近期在 WWDC23 上发布了其第一代空间计算设备 Apple Vision Pro。作为一款跨世代的融合现实产品，Apple Vision Pro 融合了业界尖端的光学技术以实现最佳的用户体验。在这个系列的文章中，我们将以 Apple Vision Pro 中的各项光学应用为引子，介绍 Ansys 光学产品线与其中各光学应用的对应解决方案。本文为系列文章的第一篇将聚焦光学传感器内容。

1 光学传感器

1.1 空间六自由度（6DOF）定位摄像头和video see-through （VST）摄像头

Vision Pro 采用两枚主摄像头实现混合显示透视功能的图像采集，两枚下视摄像头和两枚侧视摄像头实现六自由度空间定位。6DOF和VST镜头对视场角（FOV）要求较高，在设计优化中可以参考大视场角鱼眼镜头的设计案例。

如果需要设计并仿真上述应用，Ansys Zemax OpticStudio 提供了一套强大的优化工具和分析功能，用于鱼眼镜头的设计和优化。它可以进行光线追迹、光学系统建模、成像质量评估等操作，结合内置优化算法对系统最佳成像性能进行控制与约束。同时，用户可以结合 Ansys Zemax OpticStudio 来创建和调整光学元件，如球面、非球面、自由曲面表面等，以在对应视场设置下实现所需的光学性能。

在设计鱼眼镜头时，Ansys Zemax OpticStudio 可以帮助用户进行光线追迹分析，优化元件表面形状和位置，以最小化畸变和提高成像质量为要求不断迭代式优化系统。此外，它还提供了灵活的优化算法和优化目标函数，可以根据用户的需求进行特定形式优化.

总而言之，Ansys Zemax OpticStudio 作为强大的光学设计工具，具备在鱼眼镜头设计中进行建模、优化和评估的能力。它可以帮助光学工程师结合所有自定义需求，设计出具有高性能和优质成像的鱼眼镜头。

经过 Zemax 设计和优化的镜头可以通过实体文件（例如.stl文件和.step文件），或 Zemax lens importer 工具向 Speos 导入模型进行杂散光仿真优化或系统级成像仿真。本文在这里将介绍第三种Zemax与Speos镜头数据交互方式。对于 6 DOF 和人眼追踪镜头的环境级仿真，在大部分的应用场景下，使用集成在 Ansys Zemax OpticStudio 中的 Speos Lens System（SLS）向 Speos 导出的降阶模型即可满足大部分仿真需求。

SLS 降阶模型可以支持仿真镜头畸变，相对亮度，焦距，景深等成像特征并支持可变的入瞳孔位置的功能。使用 SLS 降阶模型也可以有效提高大场景的仿真效率。同时使用降阶模型可以有效保护镜头IP，简化上下游协作流程。

Ansys Speos 集成在 Ansys SpaceClaim CAD 环境中，保证了软件拥有强大的直接建模能力并对常见的 CAD 和非 CAD 模型文件有着广泛的支持。在 Ansys Speos 中可以方便地搭建仿真环境，结合 SLS 模型实现准确快速的相机环境仿真。

在下图的例子中我们在 Ansys Speos 搭建了房间的模型并附加了相应的光学属性，并在头显模型上以 SLS 降阶模型的形式布置了四枚定位相机。通过这种方式用户可以方便的评估镜头的参数是否满足在实际场景下实现 6 DOF 定位的需求。特别是对于一些难以实际搭建的极端照明场景，可以采用仿真代替试验的方式，加速产品研发和迭代。

1.2 Lidar 定位和空间重建传感器

来源 ：Apple 官网 https://www.apple.com/apple-vision-pro/

Vision Pro 使用了一组 Lidar 镜头和深度相机进行空间重建和双手手势定位。对于类似的 Lidar 镜头或者深度相机应用，使用 Ansys Lumerical 用户可以实现对 Lidar 相控阵的设计。Lumerical 提供了强大的光学模拟功能，包括电磁场的数值求解等方法。这使得 Lumerical 可以模拟复杂的光学现象，如散射、干涉、衍射等，有助于准确地预测和分析激光雷达系统中光的传播和相互作用。

对于 Lidar 镜头设计，在往期文章中我们介绍了 Ansys Zemax OpticStudio 在固态激光雷达的设计仿真中的应用。使用 Ansys Zemax OpticStudio 可以高效快捷的实现激光雷达照明和探测镜组的设计和优化，并对探测信号进行仿真分析。

Ansys Speos 包含了 Lidar 仿真功能，支持固态雷达，扫描雷达，和旋转扫描雷达的仿真。可以实现在激光雷达基准测试与分析 包装与放置分析 天气状况和边缘案例研究 算法测试 激光雷达组件设计与优化 激光眼睛安全 杂散光分析。Ansys Speos 在 Lidar 仿真中同样支持上文中介绍的，使用 SLS 导入用户在 Ansys Zemax 所设计镜头的降阶模型。通过 Ansys Speos  用户可以实现 Lidar 模块的系统级仿真，分析 Lidar 系统在复杂真实环境中的信号响应。

1.3 人眼和面部监测重建摄像头

Apple Vision Pro 采用了两组四枚红外摄像头和一系列红外补光 LED 来实现对用户面部及眼球信息的采集。

包括但不限于红外成像镜头，在 Ansys Speos中可以实现对人眼追踪相机和面部捕捉相机的系统级仿真，实现方法与思路类似于上文提到的 6 DOF 环境仿真例子。用户可以方便地向 Speos 导入需要仿真的人物模型和眼球模型，并附加相应的光学属性和纹理。Ansys Speos 支持多种业界常用的光源文件导入，可以便捷且准确地实现对于红外 LED 光源的仿真。

通过仿真用户可以评估照明强度均匀度是否满足眼球追踪和面部追踪的需求，红外相机参数是否满足设计预期。从而实现用仿真替代打样，缩短产品开发周期降低产品开发成本。

在本篇中我们以苹果公司近期推出的 Vision pro 为引子，介绍了 Ansys 解决方案在A/V/MR头显中光学传感器的相关应用，包含了相机和 lidar 传感器等典型应用。Ansys 光学解决方案可以帮助客户完成从光学设计到光学系统仿真的全套工作流。我们在 Ansys Speos 2023R2 中推出的 Speos Sensor System （SSS）将会进一步的包含 CMOS 传感器的仿真功能，用户可以选择使用 SSS 自带传感器模型，或使用Lumerical 仿真传感器响应并导入 SSS 来实现由光致电最后到图像文件输出的仿真功能。

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