說明

蘋果公司于近期在 WWDC23 上發(fā)布了其第一代空間計算設備 Apple Vision Pro。作為一款跨世代的融合現(xiàn)實產品，Apple Vision Pro 融合了業(yè)界尖端的光學技術以實現(xiàn)最佳的用戶體驗。在這個系列的文章中，我們將以 Apple Vision Pro 中的各項光學應用為引子，介紹 Ansys 光學產品線與其中各光學應用的對應解決方案。本文為系列文章的第一篇將聚焦光學傳感器內容。

1 光學傳感器

1.1 空間六自由度（6DOF）定位攝像頭和video see-through （VST）攝像頭

Vision Pro 采用兩枚主攝像頭實現(xiàn)混合顯示透視功能的圖像采集，兩枚下視攝像頭和兩枚側視攝像頭實現(xiàn)六自由度空間定位。6DOF和VST鏡頭對視場角（FOV）要求較高，在設計優(yōu)化中可以參考大視場角魚眼鏡頭的設計案例。

如果需要設計并仿真上述應用，Ansys Zemax OpticStudio 提供了一套強大的優(yōu)化工具和分析功能，用于魚眼鏡頭的設計和優(yōu)化。它可以進行光線追跡、光學系統(tǒng)建模、成像質量評估等操作，結合內置優(yōu)化算法對系統(tǒng)最佳成像性能進行控制與約束。同時，用戶可以結合 Ansys Zemax OpticStudio 來創(chuàng)建和調整光學元件，如球面、非球面、自由曲面表面等，以在對應視場設置下實現(xiàn)所需的光學性能。

在設計魚眼鏡頭時，Ansys Zemax OpticStudio 可以幫助用戶進行光線追跡分析，優(yōu)化元件表面形狀和位置，以最小化畸變和提高成像質量為要求不斷迭代式優(yōu)化系統(tǒng)。此外，它還提供了靈活的優(yōu)化算法和優(yōu)化目標函數(shù)，可以根據用戶的需求進行特定形式優(yōu)化。

總而言之，Ansys Zemax OpticStudio 作為強大的光學設計工具，具備在魚眼鏡頭設計中進行建模、優(yōu)化和評估的能力。它可以幫助光學工程師結合所有自定義需求，設計出具有高性能和優(yōu)質成像的魚眼鏡頭。

經過 Zemax 設計和優(yōu)化的鏡頭可以通過實體文件（例如.stl文件和.step文件），或 Zemax lens importer 工具向 Speos 導入模型進行雜散光仿真優(yōu)化或系統(tǒng)級成像仿真。本文在這里將介紹第三種Zemax與Speos鏡頭數(shù)據交互方式。對于 6 DOF 和人眼追蹤鏡頭的環(huán)境級仿真，在大部分的應用場景下，使用集成在 Ansys Zemax OpticStudio 中的 Speos Lens System（SLS）向 Speos 導出的降階模型即可滿足大部分仿真需求。

SLS 降階模型可以支持仿真鏡頭畸變，相對亮度，焦距，景深等成像特征并支持可變的入瞳孔位置的功能。使用 SLS 降階模型也可以有效提高大場景的仿真效率。同時使用降階模型可以有效保護鏡頭IP，簡化上下游協(xié)作流程。

Ansys Speos 集成在 Ansys SpaceClaim CAD 環(huán)境中，保證了軟件擁有強大的直接建模能力并對常見的 CAD 和非 CAD 模型文件有著廣泛的支持。在 Ansys Speos 中可以方便地搭建仿真環(huán)境，結合 SLS 模型實現(xiàn)準確快速的相機環(huán)境仿真。

在下圖的例子中我們在 Ansys Speos 搭建了房間的模型并附加了相應的光學屬性，并在頭顯模型上以 SLS 降階模型的形式布置了四枚定位相機。通過這種方式用戶可以方便的評估鏡頭的參數(shù)是否滿足在實際場景下實現(xiàn) 6 DOF 定位的需求。特別是對于一些難以實際搭建的極端照明場景，可以采用仿真代替試驗的方式，加速產品研發(fā)和迭代。

1.2 Lidar 定位和空間重建傳感器

Vision Pro 使用了一組 Lidar 鏡頭和深度相機進行空間重建和雙手手勢定位。對于類似的 Lidar 鏡頭或者深度相機應用，使用 Ansys Lumerical 用戶可以實現(xiàn)對 Lidar 相控陣的設計。Lumerical 提供了強大的光學模擬功能，包括電磁場的數(shù)值求解等方法。這使得 Lumerical 可以模擬復雜的光學現(xiàn)象，如散射、干涉、衍射等，有助于準確地預測和分析激光雷達系統(tǒng)中光的傳播和相互作用。

對于 Lidar 鏡頭設計，在往期文章中我們介紹了 Ansys Zemax OpticStudio 在固態(tài)激光雷達的設計仿真中的應用。相關鏈接如下：使用 OpticStudio 進行閃光激光雷達系統(tǒng)建模（上），使用 Ansys Zemax OpticStudio 可以高效快捷的實現(xiàn)激光雷達照明和探測鏡組的設計和優(yōu)化，并對探測信號進行仿真分析。

Ansys Speos 包含了 Lidar 仿真功能，支持固態(tài)雷達，掃描雷達，和旋轉掃描雷達的仿真。可以實現(xiàn)在激光雷達基準測試與分析 包裝與放置分析 天氣狀況和邊緣案例研究 算法測試 激光雷達組件設計與優(yōu)化 激光眼睛安全 雜散光分析。Ansys Speos 在 Lidar 仿真中同樣支持上文中介紹的，使用 SLS 導入用戶在 Ansys Zemax 所設計鏡頭的降階模型。通過 Ansys Speos 用戶可以實現(xiàn) Lidar 模塊的系統(tǒng)級仿真，分析 Lidar 系統(tǒng)在復雜真實環(huán)境中的信號響應。

1.3 人眼和面部監(jiān)測重建攝像頭

Apple Vision Pro 采用了兩組四枚紅外攝像頭和一系列紅外補光 LED 來實現(xiàn)對用戶面部及眼球信息的采集。

包括但不限于紅外成像鏡頭，在 Ansys Speos中可以實現(xiàn)對人眼追蹤相機和面部捕捉相機的系統(tǒng)級仿真，實現(xiàn)方法與思路類似于上文提到的 6 DOF 環(huán)境仿真例子。用戶可以方便地向 Speos 導入需要仿真的人物模型和眼球模型，并附加相應的光學屬性和紋理。Ansys Speos 支持多種業(yè)界常用的光源文件導入，可以便捷且準確地實現(xiàn)對于紅外 LED 光源的仿真。

通過仿真用戶可以評估照明強度均勻度是否滿足眼球追蹤和面部追蹤的需求，紅外相機參數(shù)是否滿足設計預期。從而實現(xiàn)用仿真替代打樣，縮短產品開發(fā)周期降低產品開發(fā)成本。

在本篇中我們以蘋果公司近期推出的 Vision pro 為引子，介紹了 Ansys 解決方案在A/V/MR頭顯中光學傳感器的相關應用，包含了相機和 lidar 傳感器等典型應用。Ansys 光學解決方案可以幫助客戶完成從光學設計到光學系統(tǒng)仿真的全套工作流。我們在 Ansys Speos 2023R2 中推出的 Speos Sensor System （SSS）將會進一步的包含 CMOS 傳感器的仿真功能，用戶可以選擇使用 SSS 自帶傳感器模型，或使用Lumerical 仿真?zhèn)鞲衅黜憫?SSS 來實現(xiàn)由光致電最后到圖像文件輸出的仿真功能。

在本系列的下一篇中我們將會介紹 Ansys 光學軟件在 Pancake 型 VR 顯示系統(tǒng)中的設計和仿真應用。