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Author: Ryosuke Niitsu, Yuan Chen
はじめに
この記事では、バードバスアーキテクチャの最適化とシミュレーションの例を用いたシミュレーション手法を提案し、実証しています。
バードバスアーキテクチャは、次の3つのグループで構成されます：
1. 曲面鏡（バードバスの名前の由来）
2. ディスプレイから曲面鏡に光線を反射し、曲面鏡から人間の目に光線を透過するプレート
3. 収差を補正するレンズエレメント
このアーキテクチャを透過させるには2つの方法があります。ひとつは半反射膜を使用する方法、もうひとつは偏光素子を利用する方法です。偏光素子は、光効率を高め、光漏れ性能を改善します。
この記事では、半反射面を使用したモデルに焦点を当てます。Zemax OpticStudioはシステムを最適化するために使用されます。また、システム全体がSpeosでシミュレートされます。このプロジェクトはまだ改良中です。サンプルファイルやご意見は zemax.support@ansys.com までご連絡ください。ご意見、ご感想をお待ちしております。
STEP1: レンズ設計（OpticStudio）
レンズの設計は、Zemaxシーケンシャルモードで行われます。
システムは、エンジニアの好みにより反転して設計されています。現実には（物理的なシステムでは）ソースはマイクロディスプレイであり、像面は人間の目の網膜になりま（出口/入り口の瞳孔と人間の目が配置されます）。
人間の知覚では歪みと横方向が逆転することを考慮する必要があります。
1.1 システム設定
システムの設定方法は次のとおりです：[アパーチャー] (Aperture) で絞り面半径による定義を設定します。-> [レンズエレメント] (Lens elements) を追加します。-> [視野] (Field of View)を設定します。これにより、潜在的なTIRの問題なしに、システムモデリングのどの段階でもレイアウトを確認できます。
アパーチャー（この場合、具体的にはアイボックス）は8mmに設定されています。アパーチャーのタイプは、後で異なるアイポジションをシミュレートするために、[絞り面半径による定義] (Float by Stop Size) に設定されています。
瞳距離の定義は異なる場合があります。アイボックスと眼鏡の機械部品の間の距離である可能性もあります。または、アイボックスとティルトしたプレートの光学の間の距離の可能性もあります。ここでは、後者の距離を15mmに設定します。
次に、厚さ0.5mmのBK7製のプレートを追加します。
[ティルト/ディセンタ エレメント] (Tilt/Decenter Elements) ツールを使用して、プレートを希望の角度に回転できます。この場合、X値に対する傾きは-40度です。
次に、ティルトしたプレートの右側にミラーを配置し、材料をミラーとして設定します。ミラーの厚さは、ティルトしたプレートとミラーの間の距離とは反対で、光がミラーの裏面に反射する可能性があります。
また、[折り返しミラーの挿入] (Add Fold Mirror) ツールを使用して、裏面を簡単にモデリングすることもできます。
システムが2回ミラーリングされているため、光線伝播を続行するには、厚みを正の値に設定する必要があります。開始点として、距離は任意に設定できます。
視野を設定する前に、現在のシステムが正しく設定されているかどうかを確認してみましょう。
視野を設定する標準的な手順はありません。角度または表示サイズで直接設定できます。[視野ウィザード] (Fields Wizard) では、グリッドフィールドを簡単に生成できます。
Rotational symmetric systemの矩形フィールド設定を疑うかどうかはわかりません。画質の観点からは、半径と矩形の設定は変わりません。しかし、プレートのサイズと曲面鏡は異なります。
ここでは、フィールドタイプとして近軸像高を設定し、最適化の中間段階でフィールドタイプ変換ツールを使用して角度に変換することができます。
1.2 最適化
評価関数は、仕様を満たし、製造可能性を保証するために作成されます。
最も重要なパラメータの1つである視野は、入射瞳への入射角（RAID）やシステムの有効焦点距離（EFFL）によって制御することができます。視野がターゲットに近づくと、角度をフィールドタイプとして設定し、代わりにフィールドサイズと歪み（または有効焦点距離）を制御できます。
制御したい歪みの種類に応じて、DISG、DIMX、またはリアルイメージハイトREAX/REAYを使用して歪みを補正できます。システムに非球面が含まれている場合、特にコンポーネントが像面の近くに配置されている場合は注意してください。複数のフィールドを追加することをお勧めします。場合によっては、複数の瞳孔位置からの光線を追加して、その間のフィールドが高い歪み値を持つことを避けることができます。この場合、極端な位置での歪みは補正できますが、テレビの歪みは見えます。複数のフィールドを追加する場合は、重みとターゲットを慎重に選択して、最適化中に同等の効果が得られるようにします。
横方向の色は、LACLまたはREAX/Y/Rで制御できます。軸方向の色の場合、シフトを計算するためにAXCLまたはReay + Retyの組み合わせ（他の2つの方向と同じ）で計算できます。
製造可能性については、要素と機械設計の両方を考慮する必要があります。
要素の場合、厚さを適切な範囲に制限することが重要です。最適化ウィザードで定義された制約を使用することもできますが、すべての条件では機能しないことに注意する必要があります。非球面レンズの場合、FTLTとFTGTを使用して最小および最大の厚さを制限することができます。場合によっては、厚さに対する直径の比率を制御する必要があります。これは、DMVAとFTLTを使用して行うことができます。ターゲットを0に設定すると、最小値の現在の値を読み取ることができます。このトリックは、多くの境界オペランドに使用できます。また、コーニック定数は、製造上の問題を避けるために一定の範囲に制限する必要があります。COVA+ABLTで制限できます。
2つの要素間の距離を負にすることはできません。FTGTによって制御することもできます。
バードバスの設計では、より多くの制約を考慮する必要があります。
厚さを小さくするために、ティルトプレートと湾曲鏡の間の距離を最小限にする必要があります。RAGZを使用してコーナー光線の伝播を制御することで実現できます。
もう一つ重要なことは、光線がレンズ要素と一致しなかったことです。極端な場合、曲面が反射光線に最も近いときのコーナーの下部フィールドの場合です。これは、このKBAに示されているように制御できます。: 拡張現実 (AR) 用ホログラフィック導波光学系のモデル化 : 第 2 部
光線がレンズ要素と一致するもう1つのケースを以下の通りです：
現在、傾斜した要素と光線の間の距離を完全に制御する解決策はありません。
安全な方法のひとつは、RAGYレンズの頂点を、湾曲鏡から反射される上側の光線よりも大きく設定することです（または湾曲鏡に到達することです)。別の方法は面が上部光線の上に位置するようにすることです。非球面レンズはサイズを最小化するためにカットされます。一連の表面座標データをサンプリングし、極端な条件での光線と比較することができます。ZPLMは評価関数をコンパクトに保つことができます。 ZPL マクロによる最適化 : ZPLM オペランド 最後のオプションは、適切な距離範囲を設定し、光学性能を向上させるために、システムを上の目の位置をわずかにビネット化することです。
ステップ2 : 人間の知覚（Speos）
機械設計が完了すると、Speos ヒューマンアイシミュレーションの効果を享受することができます。これは、メガネの底に遮光板がある場合とない場合の、ヒューマンアイモードでのSpeosのシミュレーション結果です。
2.1 STEPファイルをインポート
.stepファイルは、[Assembly] (Assembly) -> [File] (File) からインポートできます。
2.2 マテリアルとLocal Meshingを作成
光学材料の場合は、[Light Simulation] (Light Simulation) -> [Material] (Material) -> [New Material] (New Material) -> [Volume & Surface Properties] (Volume & Surface Properties) で作成します。ValueはZemax OpticStudioのアッベ数に相当します。レンズが機能する場合はSurface、[Surface properties] (Surface properties) の [Type] (Type) を [Optical Polished] (Optical Polished) に設定することが重要です。
マテリアルが作成されると、[Sources] (Sources)、[Sensors] (Sensors)、[Simulations] (Simulations) と共に[Definition] (Definition)ウインドウに表示されます。
入力した設定を変更したい場合は、[Simulation] (Simulation) パネルの項目をダブルクリックし、[Definition] (Definition) ウインドウでシミュレーション要素の詳細を設定します。
ハーフミラーについては、[Simple Scattering] (Simple Scattering) にて定義します。
現在は、機械部品は完全吸収型として設定されています。シミュレーションで使用されるすべてのパーツは、材質が設定されている必要があります。この場合、反射率0%のミラー設定を使用します。これは、機械部品に光線が当ったときに、光線は機械部品に吸収されることを意味します。迷光分析が必要な場合は、BRDFを使用してもかまいません。
選択したオブジェクトが、右下の [Geometry] (Geometry) 列に表示されます。ここに示されているものは、このマテリアルの特性に適用されます。
Speosはすべてのオブジェクトをメッシュに変換することに注意することが重要です。メッシュが細かいほど、精度が高くなり、シミュレーション時間が長くなります。精度と効率のバランスを取るためには、光学部品のより細かいメッシュが必要な場合があります。これはLocalMessingによって変更できます。
2.3 マテリアルとLocal Meshingをオブジェクトに適用
特定のオブジェクトにマテリアルを適用するには、[Material] (Material) をクリックし、オレンジ色のボタンをクリックしてオブジェクトを選択し、そのオブジェクトにマテリアルを適用します。同じマテリアルを持つ複数のオブジェクトの場合は、Ctrlキーを押しながらクリックして選択できます。
マテリアル設定と同様に、同じ操作を使用してローカルメッシュ設定を適用します。
2.4 ディスプレイ光源と環境光源を準備
オブジェクトに適切なマテリアルと面のプロパティを設定したら、このシステムに光源を追加して、表示パネルをシミュレートできます。例えば、[Light Simulation] (Light Simulation) -> [Display] (Display) を選択して、表示情報を設定できます。
次にアビエント光源を設定します。[Light Simulation] (Light Simulation) -> [Ambient] (Ambient) -> 「Environment] (Environment) から生成できます。
モデル化するシーンに基づいて、複数のソースを追加できます。詳細については、Displayの作成 (ansys.com)参照してください。
2.5 ヒューマンアイ受光面を設定
ヒューマンアイ受光面は、[Light Simulation] (Light Simulation) -> [Human Eye] (Human Eye) を使用して作成できます。
2.6 シミュレーションを設定して実行
すべての要素を設定した状態で、シミュレーションを作成し、このバードバスアーキテクチャをシミュレートするために必要なオブジェクト、光源、および受光面を選択できます。この場合は反転して使用します。
シミュレーションを実行するには、[Simulation] (Simulation) -> [Compute] (Compute) を右クリックするか、レイアウトウィンドウの [Simulation] (Simulation) ボタンをクリックします。
Speosでは、OpticStudioの設計データを反映したヒューマンアイシミュレーションが可能であり、その後に設計された機械要素も反映されています。
この例では、シミュレーションはマテリアル設定を含む理想的な条件下で実行されました。シミュレーションを実際の環境に近づけるには、さらに多くのパラメータが必要です。