延展實境（XR）結合AR、VR與MR技術，應用於多個產業，創造沉浸式體驗。XR設備依賴關鍵光學系統如合光元件來融合虛擬與實體內容。透過光學設計軟體如CODE V、LightTools與RSoft，工程師可優化成像品質、降低雜散光，設計出高效能且舒適的XR設備。
延展實境(XR)是一種快速發展的技術，將物理世界和虛擬世界融合在一起，創造身臨其境的體驗。XR技術涵蓋擴增實境(AR)、混合實境(MR)和虛擬實境(VR)，是能讓使用者體驗疊加在現實世界上各種數位內容的媒介。隨著科技的進步，XR應用正擴展到各種領域，包括汽車、航空航太、醫療保健、教育、零售、旅遊、遊戲和娛樂。本文探討XR設備中的關鍵光學系統，並重點介紹了用於為這些創新應用設計顯示系統的光學解決方案。
延展實境XR融合實體與虛擬世界
抬頭顯示器(HUD)、頭戴式顯示器(HMD)和智慧眼鏡等設備融合了實體和虛擬元素，創造了XR連續體驗。AR在現實環境中加入了虛擬元素，讓使用者看到實體世界和創造內容的混合。它可作為物理世界的補充，例如汽車上的HUD可顯示使用者應該轉向的下一個方向。MR將虛擬元素添加到現實環境中，並允許它們相互作用和影響，而使用戶能夠操縱物理世界中的虛擬物件。VR在完全封閉的環境下建立了一個虛擬世界，讓使用者完全沉浸其中。XR是指改變或增強對現實世界感知的所有技術集合，包括AR、VR和MR(圖1)。
圖1 從AR到MR再到VR的XR連續體
XR應用隨技術進步不斷擴展
AR的首批應用之一是用於軍事的抬頭顯示器和頭盔顯示器。隨著技術的進步和成本的下降，其他應用也變得具有經濟效益。雖然有不同的市場規模估計，但都預計將出現顯著成長，年複合成長率(CAGR)為25~30%。除了降低成本之外，穿戴設備還必須舒適，這導致了尺寸、重量和美觀度的限制(圖2)。
圖2 XR穿戴顯示設備範例
XR關鍵光學系統 合光元件Combiner Optics
合光元件是XR設備中不可或缺的元件。這些光學元件將虛擬世界與物理環境融合在一起，讓用戶可以看到在現實世界中顯示的數位內容。XR設備中的合光元件包括折射/反射合光元件和波導合光元件(圖3)，每個合光元件都為不同的應用提供了獨特的優勢。
圖3 XR設備中的合光元件
廠商如新思科技光學解決方案擁有一系列的軟體產品、服務和模擬軟體。其中包括CODE V成像設計軟體、用於照明設計和系統原型製作的LightTools軟體，以及用於建模被動和主動光子元件的RSoft光子元件工具。除此之外，這些軟體之間還能交互操作應用。
折射/反射合光元件
XR設備中的成像設計包括建立可將數位內容從顯示器傳遞到用戶眼睛的光學系統。CODE V可用於最佳化這些成像系統以獲得最佳性能。在設計過程中，通常包含反向系統建模，並僅考慮顯示光路。設計形式(圖4)包括：
・自由曲面棱鏡的AR
・Birdbath AR
・餅乾鏡頭VR
傳統的鏡頭設計指標，如：RMS斑點大小和繞射MTF，提供了定量分析來最佳化這些系統。另一個分析選項為2D影像模擬，可模擬匯入的二維物件外觀，因為該物件是透過CODE V中的光學系統成像的。此模擬包括繞射和畸變的效果，能夠精確調整。
圖4 在CODE V中以反向進行最佳化的序列模型。此模型僅考慮顯示光路
LightTools中的系統分析和雜散光
在CODE V中設計成像系統後，將包含鏡頭數據的光學系統文件(OSF)匯出到LightTools以進行進一步分析。在LightTools中，用戶可以在模型中添加光源、接收器和詳細的光學屬性，例如雙向散射分布函數(BSDF)。如偏振塗層等表面特性可以在RSoft中建模，擷取與波長、入射角和偏振等相依的性能函數，並使用BSDF產生工具匯出模型特性到LightTools中使用。LightTools中的模擬將物理場景和顯示影像結合在一起，還可以顯示雜散光效應(圖5)。LightTools的功能有助於識別和減輕雜散光的影響。
圖5 LightTools展示了場景和顯示影像的結合，包括雜散光效應，如此處所示的birdbath MR系統
除了定量分析之外，LightTools還可以對系統進行最佳化。透過塗層的最佳化，在初始餅乾鏡頭VR系統中，大幅地減少原本顯著的雜散光。餅乾鏡頭VR系統在眼盒內也表現出色，確保了各種使用者的舒適度。LightTools模擬提供了定量結果，顯示了亮度變化和真實色彩輸出。該軟體還可以識別並幫助消除雜散光，最佳化整體系統性能。
波導式AR設計
波導式AR設計透過使用光柵作為輸入和輸出耦合器來減少光學系統的重量和尺寸。這些波導同步了虛擬影像與真實場景，創造出無縫的擴增實境體驗。
廠商如新思科技的波導式AR光學系統設計流程包括使用RSoft的DiffractMOD RCWA和FullWAVE FDTD模組來設計耦合光柵，使用RSoft工具計算雙向散射分布函數(BSDF)資料，以及在LightTools中載入多個參數化BSDF資料來建模整個光學系統(圖6)。
圖6 使用RSoft和LightTools的波導式AR設計流程
波導式AR設計中使用的光柵類型
・表面浮雕光柵(SRG)
表面浮雕光柵通常用於AR眼鏡。SRG是一種在基板上蝕刻的錐形傾斜凹槽，可在特定的設計下提供較高的一階透射。經過最佳化，可以找到符合RGB光的最佳光柵幾何尺寸，滿足FOV規格並實現高穿透性能。
・全像光柵(VHG)
使用全像記錄方法建立的光柵，可用兩束光束記錄干涉圖案。它提供中等的折射率調製及有限的視野。
・偏振體積光柵(PVG)
PVG基於液晶材料，對圓偏振輸入光提供較高的一階繞射效率。與其他光柵相比，具有高折射率對比度和更大的視野。RSoft CAD環境中的實作包括為單層PVG指定晶體軸旋轉或對更複雜的結構使用腳本方法建模。
在LightTools中建模AR眼鏡系統布局
接下來，在LightTools中對波導式AR系統進行建模。在LightTools中，SRG AR眼鏡系統布局(圖7)包括為耦入光柵和耦出光柵載入一組參數化BSDF資料。系統規格和布局經過最佳化，提高了均勻性和性能。
圖7 LightTools中的SRG AR眼鏡系統布局
對於VHG光柵，在LightTools中設置了一個簡單的全彩測試平台，如圖8所示。VHG AR眼鏡模擬也顯示出最佳化後顯著的改善。
圖8 LightTools中的VHG AR眼鏡系統模擬測試平台
延展實境是一項變革性技術，在多個產業中有廣泛的應用。合光元件對於向使用者呈現數位影像並將其與實體世界疊合發揮著至關重要的作用。透過利用軟體設計工具，工程師可以創造出優良的XR眼鏡以及其他設備，能讓使用者身臨其境並擁有舒適的用戶體驗。
(本文由新思科技Synopsys提供)