讓元宇宙設備研發事半功倍 模擬工具扮演關鍵角色
元宇宙概念爆紅，為整個科技產業帶來巨大的應用想像空間跟潛在商機，而虛擬實境(VR)、擴增實境(AR)/混合實境(MR)等統稱為XR的技術，則是元宇宙能否從概念變成服務的關鍵之一。唯有成熟、可靠的XR設備大量普及後，元宇宙上的各種服務才能廣泛地觸及每個人。
也因為XR設備對整個元宇宙生態系統的發展至為重要，如何比競爭對手早一步推出具有優異使用者體驗，功能亦貼近使用者需求的XR設備，成為許多硬體製造商正在努力的目標。為此，開發團隊不僅要準確掌握市場需求的變化，更要在虛擬世界中善用模擬工具，在短時間掌握光的行為模式，進而快速完成設計迭代，縮短XR設備的開發時間與降低成本。
XR設備開發兩大挑戰─感知與顯示
佐臻董事長梁文隆指出，在元宇宙概念廣受矚目的情況下，原本沉寂了一陣子的AR設備，因為是承載各種元宇宙應用的重要載具，而再度成為業界關注的焦點。因為只有能將實體世界跟數位內容融合展示的AR裝置，才能滿足元宇宙的基本要求。AR設備研發所遇到的兩大技術難題，也因而產生：一、如何讓設備具有準確感知周遭環境與使用者意圖的能力；二、如何把高品質的虛擬圖像資訊顯示在使用者眼前。
梁文隆解釋，因為AR裝置必須把數位內容跟真實世界巧妙地融合為一，故設備本身一定要先具備極強的空間跟使用者行為感知能力，才能知道使用者的操作意圖，以及應該要把數位內容疊加在真實場景中的哪個位置。換言之，AR設備本身必須是一個非常強大的感測裝置。
有了強大的感測能力後，AR裝置還必須具備資訊顯示的能力，才能將數位內容展示在使用者眼前。近眼顯示是AR設備不可或缺的關鍵技術，但這項技術還存在許多挑戰，從稜鏡、波導等光學零組件的設計開發，到光機引擎的建構，本身都是非常複雜的工作。而頭戴式裝置必須小型、輕量與省電的要求，則讓這些光學系統的設計變得更加困難(圖1)。
圖1 AR眼鏡是一種匯集空間感測與近眼顯示，又必須極為輕巧、省電的複雜裝置，技術需求相當高
應對複雜光學問題 工具銜接流程最關鍵
由於AR裝置的近眼顯示涉及到十分複雜的光學系統設計，運用到的光學原理跟模擬計算方式亦不盡相同。因此，若要對AR裝置的光學系統進行完整的設計跟模擬驗證，必然涉及到多種不同的工具，以及跨工具的流程銜接。
Ansys資深應用工程師陳奕豪進一步說明，雖然我們一般都認為光是直線前進，但在微觀尺度，光也具有波的特性，因此，要完整分析光的運動，必然會涉及幾何光學跟波動光學這兩種分析工具。在幾何光學中，如果我們只考慮單一傳輸或反射路徑的光線追蹤，我們稱之為序列光學，通常可用來分析光學系統的成像。但如果要進行非單一路徑的光線追蹤，來考慮物體之間發生的多次穿透、反射、吸收或散射，我們稱之為非序列光學，通常可用來分析光學系統的雜散光。Ansys的三種光學模擬工具：Lumerical、Zemax、Speos可以用來分析上述所有不同的光學特性，包含波動光學、序列與非序列的幾何光學。
對於要開發像AR裝置這種複雜光學系統的工程團隊而言，如何把這些工具串在一起，形成一套完整的流程，是非常關鍵的。
・以Lumerical確認微結構設計成果
Ansys應用工程師陳致豪說明，對大多數AR設備而言，繞射光柵是最重要的光學元件之一。要對繞射光柵進行設計最佳化，必然會用到Ansys的波動光學工具Lumerical。其內建的FDTD跟RCWA求解器，可以準確模擬出光遇到光柵上的微結構之後，會產生哪些行為的改變，進而讓工程師可以很有效率地找出最適合的微結構設計。
但Lumerical是微觀工具，在AR設備裡，還有其他巨觀尺度的光學元件，甚至是外部環境的雜散光，也會影響繞射光柵的運作。因此，如果要把巨觀因素考慮進來，必然要借用Zemax跟Speos的力量。目前Ansys團隊已經開發出Lumerical對Zemax跟Speos的資料串接功能，讓Zemax跟Speos可以輕鬆匯入Lumerical所產生的模擬資料，...
2022 年 05 月 07 日
