Ansys 2024 R1光学仿真增强功能

如今，光学行业的一大主要设计目标是微型化。在Ansys 2024 R1最新版本中，我们为光学求解器添加了相关功能，从而使用户能够更快速、更简单、更低成本地实现微型化。相关应用包括：

• 缩小内窥镜摄像头，以便在医疗外科手术中减少组织损伤的几率。
• 提高增强现实眼镜的佩戴舒适性（更轻便、更紧凑、更平衡、更时尚），以便飞行员或外科医生可以进行长时间（数小时）佩戴。
• 减少手机摄像头镜头的重量和物理占用空间，为手机显示屏和嵌入式人工智能（AI）组件留出更多空间。    

此版本光学仿真解决方案的新功能，显著改进了Ansys Lumerical、Ansys Zemax OpticStudio和Ansys Speos中的工作流程，确保工程师能够在紧迫的期限要求内完成交付。

超透镜的挑战

微型化的一大关键领域是超透镜的研发。超透镜是一种由亚波长超原子组成的扁平且纤薄的光学组件，其可控制电磁（EM）波，以特定方式聚焦或散射光线。总而言之，与其前代基于玻璃的镜头相比，超透镜可用于制造更小巧、更轻便的设备。

不过，如果要使超透镜能够在自动驾驶汽车车载摄像头、AR/VR耳机或内窥镜等大型系统中发挥作用，就需要进行三层设计和分析，这三层包括：单个超原子的纳米尺度、超透镜本身的宏观尺度，以及超透镜与完整系统的集成。 

Ansys光学仿真软件对这三个层面都提供了完整的端到端解决方案，而在2024 R1版本中，我们为该软件套件添加了新功能，以使超透镜的设计流程更快速、更便捷。

利用处理波长尺度结构的Lumerical，工程师可以定义超原子的形状、材料和布局，然后使用严格的耦合波分析（RCWA）对超透镜上的所有超原子变化进行仿真。他们可以将超透镜结构导出到HDF5（.h5）数据文件中，以便在OpticStudio中进行建模和仿真。在OpticStudio那里，超透镜被视为大型宏观系统中的众多组件之一，其中，光波可以更简单地被建模为几何光线。

然后，设计人员可以对包含一个或多个超透镜以及其他组件的完整光学系统进行仿真，并分析光斑尺寸、调制传递函数（MTF）和点扩散函数（PSF）等性能指标。在获得所需的光学成像质量后，就可以使用OpticStudio中的“Export Reduced-order Model to Speos（将降阶模型导出到Speos）”功能，将完整的光学系统（包括所有超透镜）导出到Speos，以进行系统级仿真。在Speos中，可以使用人工和自然光源以及用于镜头安装、杂散光抑制等的逼真光机组件，在3D环境中对完整的光学系统进行仿真。

在2024 R1中，.h5文件已进行更新，包含了多个入射角的信息以及有关透射、偏振和相位的信息。还有一些重要的改进功能，可将以前版本的文件的大小减少五倍，从而实现更轻松的数据交换。新开发的DLL可以将.h5文件中的扩展数据读取到OpticStudio中，以直接对超透镜进行建模。 

系统级工作流程

微型化光学器件还需要被集成到宏观光学系统中，因此系统级设计和仿真仍然是工作流程的关键组成部分。能够实现从组件级到系统级实现快速高效的数据交换、并支持系统级快速分析和设计的工具，对于设计至关重要。

为此，我们开发了简化的工作流程，用于将光学设计数据（例如镜头几何结构和光学属性）从OpticStudio导入到Speos中。此外，摄像头传感器中的主光线序列的全新快速分析功能，与Speos中目前可用的新型光学设计交换功能相兼容。

Lumerical亚波长模型（LSWM）插件的GPU加速版本与面向增强现实应用的Speos GPU完全兼容。利用GPU加速，可以将一般笔记本电脑上的仿真时间缩短20倍，而在GPU集群上运行时，仿真时间可缩短100倍或更多。

面向特定解决方案的产品增强功能

Lumerical的增强功能包括：

• Lumerical时域有限差分（FDTD）求解器的GPU加速改进功能，可实现更快的网格划分和多GPU扩展的内存容量。
• 基于SLURM调度器的全新可扩展集群解决方案，可以将Lumerical产品（尤其是FDTD）部署在Amazon AWS和Microsoft Azure集群上。
• Klayout和Lumerical Multiphysics（CHARGE、HEAT或FEM）之间新的直接桥接，可用于组件设计。
• 层混合、应变导致的极化、氮化物绿色和蓝色材料支持等新功能，可用于使用CHARGE和MQW求解器进行完整的2D光电micro-LED仿真。
• 通过新的频率噪声频谱分析仪，可在Lumerical INTERCONNECT中计算激光器光源的噪声频谱。
• 所有Lumerical求解器均可启用全新深色模式用户界面。

OpticStudio的增强功能包括： 

• 新的优化相位约束操作数，可确保超透镜和其他全息元件的可制造性。
• 新的DLL可从Lumerical中设计的超透镜读取数据，并支持在OpticStudio中直接对这些超透镜进行建模。
• Speos中的全新光学设计导出工具，可将OpticStudio镜头设计支持的几何结构和光学参数导出到.odx文件中，该文件可以直接导入到Speos中。

Speos的增强功能包括：

• 全新的用户界面，可在Speos Live Preview中提高舒适度并提供更直观的体验
• OpticStudio中设计的摄像头传感器的增强型降阶模型（ROM），通过考虑几何像差和色差，实现了在Speos中进行更准确的摄像头采集
• 全新的头戴式显示器（HMD）跟踪兼容性，可提供完全沉浸式体验

如欲了解有关Ansys光学求解器的最新增强功能，欢迎观看“Ansys 2024 R1光学产品新功能”网络研讨会。