導(dǎo)語

什么是光學(xué)仿真？光效也能仿真嗎？我們團(tuán)隊(duì)的許工，用Ansys Speos做了一個(gè)小例子，借此，我們也來淺談一下光學(xué)仿真，給各位讀者大大做一些分享。專家看了請(qǐng)別見笑，歡迎探討。

為了讓產(chǎn)品看起來更酷炫，最近我們又搞起了光學(xué)仿真。為此，同事常半帶吐槽的說，你們?cè)趺词裁炊寄芊拢?/p>

對(duì)此，我表示：萬物皆可仿真，只要給定合理假設(shè)。

話說回來，在仿真領(lǐng)域，面對(duì)結(jié)構(gòu)/流體這些老大哥，光學(xué)仿真就像個(gè)沒什么存在感的弟弟，能找個(gè)討論的人也不容易（但因此也值錢呀，嘿嘿嘿），畢竟大哥們都是有限單元法，有限體積法...彼此之前切磋起來方便。光學(xué)仿真完全是另外一個(gè)門派。

光線追跡法

光學(xué)仿真修煉的是獨(dú)門秘籍——光線追跡法。

光線追跡是一種使用幾何光學(xué)來模擬光在光學(xué)系統(tǒng)中傳播的方法。它的工作原理是追蹤大量單獨(dú)光線與光學(xué)表面（如透鏡、鏡子和濾光片）相互作用時(shí)的路徑。這些光線的位置和方向是根據(jù)光學(xué)定律計(jì)算的，例如斯涅爾折射定律和反射定律。

正向和逆向光線追跡法示意圖

光學(xué)仿真中的光線示意圖

應(yīng)用場景

雖然貌似小眾，但實(shí)際上，光學(xué)仿真在各行各業(yè)都有十分重要的應(yīng)用場景：專門研究光學(xué)器件的自然不必說，此外，在汽車行業(yè)，光學(xué)仿真用于設(shè)計(jì)和優(yōu)化照明系統(tǒng)——例如前燈和尾燈，以提高安全性和美觀性；還可用于模擬擋風(fēng)玻璃和窗戶中的光線行為， 這對(duì)于減少眩光和提升能見度非常重要，還可以用于HUD的光學(xué)模擬。

Ansys Speos 用于馬自達(dá)汽車公司的前燈照明仿真

 圖片來源https://www.ansys.com/advantage-magazine/volume-xiv-issue-2-2020/mazda-sees-light-ansys-speos

筆者從事的是消費(fèi)類電子產(chǎn)品行業(yè)，這個(gè)行業(yè)中，光學(xué)仿真的應(yīng)用也比較廣泛，只要涉及顯示器，攝像頭系統(tǒng)和光傳感器的設(shè)備，都有可能需要運(yùn)用光學(xué)仿真，例如智能手機(jī)，平板電腦，電視，智能手表，VR設(shè)備等。

（Ansys Speos官網(wǎng)上的案例，模擬人眼從不同角度查看OLED屏幕的效果，但是GIF圖像素有點(diǎn)渣，看不太清楚）

還可以模擬OLED屏幕的莫爾條紋效應(yīng)：

莫爾條紋是一種光學(xué)現(xiàn)象，當(dāng)兩種線或點(diǎn)圖案相互重疊時(shí)會(huì)發(fā)生，從而導(dǎo)致出現(xiàn)新的干涉圖案。這種干涉圖案會(huì)產(chǎn)生視覺扭曲，例如波紋效果或額外線條或曲線的出現(xiàn)。

平面顯示設(shè)備大量導(dǎo)入觸控功能，經(jīng)由ITO或是Metal Mesh結(jié)構(gòu)生產(chǎn)Sensor為目前常用的方式。在顯示器輕薄要求之下用于遮瑕之光學(xué)膜片更薄也更少，造成Bef、Color Filter或OLED、 touch sensor容易產(chǎn)生莫爾現(xiàn)象進(jìn)而干擾視覺效果。

圖片來源：https://www.rayteng.com.tw/product-speos-2/ansys-speos%e5%b9%b3%e9%9d%a2%e9%a1%af%e7%a4%ba%e5%99%a8moire%e6%a8%a1%e6%93%ac%e6%87%89%e7%94%a8

在Jabra的耳機(jī)/揚(yáng)聲器產(chǎn)品上，也有用到光學(xué)仿真來優(yōu)化導(dǎo)光柱的設(shè)計(jì)，以保證我們的光學(xué)效果，只有光線亮度合適又均勻，才能給用戶提供高級(jí)舒適的體驗(yàn)。

上圖是前不久Jabra新上市的Speak2系列，可以看到有一圈均勻的燈帶，為了實(shí)現(xiàn)這樣的效果，在前期設(shè)計(jì)中，進(jìn)行了大量的光學(xué)仿真——通過光學(xué)仿真對(duì)LED排布，不同顏色光能量調(diào)節(jié)，導(dǎo)光柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及材料屬性做了優(yōu)化，使其亮度更均勻，光能效更高更節(jié)能。

光學(xué)仿真軟件

比較知名的光學(xué)仿真軟件有Ansys Speos, 以及同屬于Ansys光學(xué)大家族的Zemax, Lumerical。強(qiáng)是真的強(qiáng)，貴也是真的貴。當(dāng)然，貴是你的問題，不是它們的問題（扎心了）。

除此之外，LightTools也是一款很不錯(cuò)的工具，在汽車車燈設(shè)計(jì)領(lǐng)域應(yīng)用也較廣泛（畢竟相比Ansys有價(jià)格優(yōu)勢，但也不便宜?。?/p>

當(dāng)然，如果你本來就是仿真世家，家里已經(jīng)有一點(diǎn)老底，也許也能不多花一分錢，順帶做一些光學(xué)仿真：

比如已經(jīng)有COMSOL，那也是可以用來做一些光學(xué)仿真的；我們除了Ansys Speos外，也會(huì)結(jié)合使用性價(jià)比更高的Tracepro來做一些快速的仿真，對(duì)我們平時(shí)的絕大部分設(shè)計(jì)工作，其實(shí)已經(jīng)夠用了（我們用的是Altair的token, Altair的APA（合作聯(lián)盟）中有就Tracepro，所以Altair的license除了用于結(jié)構(gòu)和流體散熱仿真外，也可以用于光學(xué)仿真，性價(jià)比方面來說，真香~）

汽車內(nèi)飾氛圍燈案例

以下案例是許工按照Ansys官網(wǎng)中的例子做的，可以很直觀的展現(xiàn)汽車內(nèi)飾氛圍燈的效果，非常有意思：

汽車內(nèi)飾氛圍燈，在早期燈光設(shè)計(jì)時(shí)，可以通過Speos仿真評(píng)估氛圍燈亮燈后效果，以確定是否滿足要求，例如：是否美觀，是否會(huì)有潛在的干擾（比如干擾反射）。避免浪費(fèi)前期有大量可以修改設(shè)計(jì)的機(jī)會(huì)，也避免浪費(fèi)光導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工程師的時(shí)間，因?yàn)榈鹊焦鈱?dǎo)結(jié)構(gòu)都設(shè)計(jì)好了之后，再跟結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工程師，談燈光效果不行，這時(shí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工程師或許需要大規(guī)模重新設(shè)計(jì)光導(dǎo)，而且還可能受其他的地方的影響，無法修改設(shè)計(jì)，因此，在產(chǎn)品開發(fā)早期就將光導(dǎo)的效果確認(rèn)好時(shí)非常重要的。

圖1 車門外觀圖

圖1是項(xiàng)目早期所設(shè)計(jì)出的車門外觀，白色區(qū)域?yàn)榉諊鸁魺艄鈪^(qū)域，因?yàn)檫€在早期，沒有光導(dǎo)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，所以設(shè)該表面為一個(gè)具有一定角度的朗博面光源，此光源可以設(shè)置為平譜光源，并根據(jù)要求設(shè)定各個(gè)位置的亮度探測器，以此來評(píng)估和分析燈光在效果，同時(shí)也可以加入一個(gè)環(huán)境光源，以模擬在有環(huán)境光的情況下燈光的效果，可以使用光譜過濾對(duì)燈光效果進(jìn)行后處理，得到RGB三種不同顏色下和不同RGB權(quán)重的白燈的效果。

圖2 在Ansys Speos中的操作界面

圖3 模擬的白光效果（未考慮環(huán)境光源）

圖4 模擬的紅光效果（未考慮環(huán)境光源）

圖5 模擬的綠光效果（未考慮環(huán)境光源）

圖6 模擬的藍(lán)光效果（未考慮環(huán)境光源）

注意圖3~圖6中的光通量是一致的，但模擬人眼所感知的光線亮度卻有所不同。綠光明顯比紅光和藍(lán)光更清晰明亮，這是因?yàn)槿搜蹖?duì)綠光的感知更為強(qiáng)烈導(dǎo)致的。

是不是讓你想起了那首優(yōu)美的歌曲:

   

（果然，綠光真的是最亮的）

下面我們加入環(huán)境光源，如圖7所示，我們假定了一個(gè)1000尼特均勻亮度的環(huán)境光源，渲染出未亮燈的效果（未亮燈的效果有時(shí)候?qū)ν庥^設(shè)計(jì)也有重要的參考作用）：

圖7 在1000尼特均勻亮度的環(huán)境光源下，未亮燈的效果

在Speos中，提供了更為真實(shí)的環(huán)境光源，供用戶選擇，我們可以選擇一個(gè)特定的城市，特定時(shí)間下的光源環(huán)境，例如圖8 是中國上海2023年3月6日傍晚六點(diǎn)自然光源下，車輛朝東時(shí)，左邊車門氛圍燈亮燈后的效果（注：因模型只有一個(gè)車門，因此與實(shí)際場景略有差異）。

圖8 2023年3月6日，傍晚6點(diǎn)的上海，燈光打開的效果

圖9 2023年3月6日，下午3點(diǎn)的上海，燈光未開的效果

而圖9是2023年3月6日下午3點(diǎn)，中國上海2023年3月6日下午三點(diǎn)自然光源下，車輛朝東時(shí)，左邊車門氛圍燈未亮燈的效果（注：因模型只有一個(gè)車門，因此與實(shí)際場景略有差異）。

小結(jié)

光學(xué)仿真很有意思的地方在于，對(duì)于設(shè)計(jì)師而言，僅僅10分鐘的仿真就能給出有方向性的指導(dǎo)，而如果愿意花費(fèi)更多的計(jì)算量，則可以得到十分逼真的效果。恍惚間，覺得好像在做動(dòng)畫大片了~后續(xù)，我們還會(huì)繼續(xù)推出一些光學(xué)仿真在電子產(chǎn)品導(dǎo)光柱設(shè)計(jì)上的應(yīng)用，歡迎關(guān)注。

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