光學設計及仿真的案例
AR/VR光學設計仿真解決方案【8月29日直播】
光學設計與仿真軟件是幫助實現上述XR顯示技術的必要工具。XR顯示技術從微觀結構和膜層設計到宏觀顯示效果的跨物理尺度的設計需求也為光學仿真軟件提出了更高的技術要求。
Ansys全鏈路光學設計與仿真工具可以幫助XR設備設計者實現從微光柵結構設計，膜層設計到宏觀的光學鏡組設計和光學環境仿真的一站式光學仿真解決方案，幫助用戶設計和分析包括基于衍射光柵的AR顯示設備birdbath類AR設備，基于Pancake鏡頭的VR顯示設備，和頭顯光學傳感器等多種XR光學技術設備，助力先進元宇宙顯示設備的開發。
基于此，8月29日，Ansys 2024 R1系列網絡研討會將推出「A/VR光學設計仿真解決方案」主題內容。歡迎感興趣的用戶免費報名參會。
時間：8月29日，16:00-17:00
講師簡介：
李宏宇 | Ansys 高級應用工程師
華中科技大學，光電信息工程專業，法國斯特拉斯堡大學光學工程博士。2021年加入Ansys中國。現負責 Ansys Speos技術支持和相關業務開發工作。
形式：線上
費用：免費
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技術鄰簡介:
技術鄰專注于工科技術社區，從最早的CAE技術社區（中國CAE聯盟）發展而來，在CAE領域有20年的教學和咨詢服務經驗。
仿真服務、Ansys光學仿真系列往期錄播免費領取，更多資料，掃碼添加技術鄰客服詳細咨詢~
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工信部CAE應用工程師認證! 工科生迅速提升職場競爭力，打破職業瓶頸！
展開 光學設計與仿真技術：Lumerical大尺寸超透鏡的光線追跡仿真
Ansys有很多優秀的光學設計和仿真相關產品，它們在汽車AR，VR，HUD，半導體，醫療以及高科技方面有廣泛的應用，如果您有相關的需求，請通過以下的方式進行咨詢！
聯系人：光研科技南京有限公司 徐保平
手機號：15051861513
微信號：13627124798
ZEMAX光學設計實踐
雙膠合透鏡：
雙膠合透鏡優化：
牛頓望眼鏡：
變焦鏡頭：
掃描系統：
參考文獻：《ZEMAX光學設計超級學習手冊》林曉陽
文章標簽： zemax光學設計仿真光學仿真鏡頭設計
ASAP模擬分析高亮度汽車 LED 前照燈的光學結構設計
本文對LED汽車前照燈的光學結構進行了設計。在遠光燈設計時，采用側面放光的方式，光源發光經自由曲面反射，光線全部反射匯聚以達到遠光配光要求。在近光燈設計時，用3個相同的光學單元疊加以實現足夠的光通量。每個單元采用多橢球反射面將多芯片大功率LED光源發出的光進行匯聚，經擋板遮擋住部分光線以形成明暗截止線，光線再經透鏡匯聚后得到近光燈所需光型。最后，采用ASAP軟件實現了仿真，仿真結果表明此設計符合國家標準。 我們 采用 5 顆單顆 1 瓦的 LED 芯片，直線形串聯封裝在一個基板上，成為一顆 LED。芯片封裝排列長度 5.5mm。 所封裝的 LED 光源的光譜特性和輻射分布圖如圖 1、 2 所示。
LED 汽車前照燈的光學設計: 遠光燈設計、近光燈設計
ASAP模擬與分析結果:對設計采用光學設計軟件ASAP進行了光學建模 和仿真，測試屏幕在車燈前方25米處，（0，0）點為 屏幕中心。遠光燈等照度曲線如圖5所示，可見亮點 在（0，0）點右側，照度達到了遠光燈的要求。近光燈等照度曲線如圖6所示，明暗截止線清晰可見，大 照度值為29勒克斯。
本文完成了 LED 汽車前照燈光學設計和模擬，研究了適合汽車用前照燈的 LED 封裝形式，采用多顆 LED 芯片直線型排列，以硅膠平面式封裝，實現朗伯體光源，達到較大照射范圍。同時采用 ASAP 軟件實 現了光學設計的仿真，仿真結果表明所進行的設計滿 足國家對汽車前照燈標準的要求。由于 LED 發光角度 大為 180 度，擋板只檔住了很少的一部分光線，傳 統源為 360 光源，需要檔板遮擋 50%的光線才能形成 明暗截止線，因此采用 LED 光源作為汽車前照燈近光 燈光源，不僅光源的效率要高于傳統光源，而且整燈的光利用率要高于傳統近光燈30%左右。
展開 
Zemax案例 | 用于炮膛檢測的內窺鏡光學系統設計的精準化解決方案
Zemax作為全球領先的光學系統設計與仿真平臺，憑借建模、優化、像質評價與公差分析的全流程能力，成為攻克炮膛檢測內窺鏡光學系統設計難題的核心工具。<strong>本文結合新近研究成果，解析Zemax在該內窺鏡光學系統設計中的全流程應用，展現其對高精度工業內窺鏡研發的價值</strong><sup><strong>[1]</strong></sup><strong>。</strong></p><p><br></p><p><strong>小口徑炮膛檢測的光學設計挑戰</strong></p><p>小口徑炮膛的狹小空間，要求檢測內窺鏡具備<strong>小口徑、長工作距離、大景深</strong>的特性<sup>[2]</sup>，同時炮膛疵病的三維測量需求，對內窺鏡的雙目立體成像匹配性、多口徑工況適配性提出更高標準<sup>[3]</sup>?，F有炮膛檢測內窺系統存在諸多短板：多子系統拼接成像成本高、錐形反射鏡方案易失真、非側視式設計無法探入小口徑炮膛、廣角鏡頭物距不足等，且難以在小口徑約束下兼顧大視場、長工作距離與高成像質量。</p><p>解決這些難題，需要設計一款側視式雙光路大景深內窺鏡光學系統，而核心難點在于多口徑參數匹配、雙光路視差控制、長距像質保持及加工裝調可行性驗證。Zemax憑借全流程光學設計與仿真能力，成為解決這些問題的關鍵支撐，實現從理論設計到工程落地的高效轉化。</p><p><br></p><p><strong>Zemax完成原理建模與參數精準確定</strong></p><p>本系統基于雙目立體成像原理實現炮膛疵病三維測量，通過Zemax完成原理建模、工況仿真與核心參數優化，為后續設計奠定精準基礎。
展開 混合現實仿真精度難保障？OAS 光學軟件精準解困
</p><p><br></p><p>總體而言，OAS憑借其強大的非序列光線追跡能力、對復雜光學元件的支持、AI融合潛力以及與OTS的協同作用，在混合現實光學仿真領域具有顯著的競爭優勢和廣闊的應用前景。通過持續的技術投入和功能拓展，OAS有望成為MR設備研發中不可或缺的關鍵工具。</p><p class="ql-align-justify"><br></p><p><strong>結論與展望</strong></p><p>混合現實（Blended Reality）技術作為下一代計算平臺，正以前所未有的速度發展，其核心驅動力之一在于光學顯示技術的不斷突破。武漢二元科技有限公司的OAS光學分析軟件，憑借其在非序列光線追跡、復雜光學元件支持、高性能仿真以及AI技術融合方面的獨特優勢，在MR光學仿真領域展現出巨大的潛力和價值。</p><p><br></p><p>OAS能夠有效地模擬MR設備中復雜的光線傳播路徑，處理雜散光問題，并支持微納光學、自由曲面和超表面等前沿光學元件的設計與優化。特別是其序列與非序列光線追跡的融合能力，使得設計師能夠在統一的平臺下對整個MR光學系統進行端到端的高精度仿真，這對于加速MR產品的研發周期、提升產品性能至關重要。</p><p><br></p><p>展望未來，隨著MR技術的進一步成熟和普及，對光學仿真軟件的需求將更加迫切和多樣化。OAS應繼續深耕以下幾個方面，以鞏固其在MR仿真領域的領先地位：</p><p><br></p><p><strong>1) 深化AI融合：</strong>進一步探索AI在光學設計中的應用，例如利用深度學習進行逆向設計、自動優化復雜光學系統、預測制造公差對性能的影響等，從而實現更智能、更高效的設計流程。
展開 Ansys旗下Zemax OpticStudio STAR模塊榮獲SPIE軟件類 “棱鏡獎”
"去年春季發布的新款關于結構、熱分析的（STAR）模塊優化了OpticStudio與有限元分析（FEA）軟件之間的工作流程，為光學設計與仿真帶來更多可能性。"
通過擴展OpticStudio的功能，納入基于FEA數據的結構、熱對光學性能影響的仿真分析（STOP Analysis），STAR模塊提供了一個集成式工作流程，可以簡化光學設計流程，同時有助于減少設計仿真誤差，縮短研發時間，并降低開發成本。
STAR模塊集成到OpticStudio中，可以更輕松地導入FEA數據、分析結構與熱對光學系統性能的影響，并直接在一個軟件中實現工作流程自動化。
OpticStudio STAR模塊高級產品經理Esteban Carbajal指出：“STAR模塊向工程師和設計師提供了寶貴信息，幫助他們了解結構和熱因素將如何影響其設計的光學性能，同時實現工作流程自動化。此次憑借光學設計與仿真方面的這一重大進展而獲獎，我們引以為豪。”
此外，借助內置工具，STAR模塊允許用戶便捷地同時觀察導入的FEA數據和其分布情況，以便在數值擬合或后續仿真之前更輕松地完成對齊驗證與評估。
Ansys副總裁兼電子、半導體與光學事業部總經理John Lee稱：“通常，為了開展STOP分析，工程師必須處理在OpticStudio與FEA軟件之間協調系統對齊等難題。STAR模塊可消除此障礙，并提供簡化、先進的解決方案，可以輕松集成到任何仿真工作流程中，國際光學工程學會表彰了該模塊對光學創新的重大貢獻，我們深感榮幸?！?/span>
展開 光學設計中的光學加工鏈建模
Oliver Faehnle1,
OST – Applied University of Sciences, Buchs, Switzerland,
摘要：本文描述了對給定的光學設計進行調控和仿真的策略，以及沿制造鏈應用的最佳光學制造技術集（OFT）。這樣，就可以在光學設計階段進行成本影響分析，從而優化設計，降低制造成本和風險。
1.簡介
在現代光學系統中，隨著技術的快速多樣化和專業化，我們面臨著在高度專業化的個人、過程和機器之間進行可靠通信的需要。從最初的想法到最終的光學系統，一般會涉及四個方面：從（a）想要將光用作工具的客戶開始，然后是（b）將應用參數轉化為光學系統布局的光學系統設計師，到（c）將光學系統的參數和公差轉化為優化制造鏈的光學制造鏈設計師，最終將其移交給（d）生產制造。雖然光學設計軟件工具可以很好地支持客戶和光學系統設計師之間的交流，但光學系統設計師和光學制造鏈設計師之間的交流至今仍然完全基于人與人的交互。這種交互方式是光學系統制造過程中最后的主要障礙之一，因為它基于個人判斷，不是確定性的，在很大程度上取決于人的經驗和談判。與所有設計和生產系統一樣，大部分生產成本是在設計階段確定的。特別是在光學制造中，設計參數對生產成本的影響是巨大的，因為有各種各樣的制造技術可供選擇。因此，在工業上，強烈需要能夠通過調控光學制造鏈，以實現確定性、可預測性和優化的制造鏈布局、成本和交付時間。
展開 光學設計中的光學加工鏈建模
Oliver Faehnle1,
OST – Applied University of Sciences, Buchs, Switzerland,
摘要：本文描述了對給定的光學設計進行調控和仿真的策略，以及沿制造鏈應用的最佳光學制造技術集（OFT）。這樣，就可以在光學設計階段進行成本影響分析，從而優化設計，降低制造成本和風險。
1.簡介
在現代光學系統中，隨著技術的快速多樣化和專業化，我們面臨著在高度專業化的個人、過程和機器之間進行可靠通信的需要。從最初的想法到最終的光學系統，一般會涉及四個方面：從（a）想要將光用作工具的客戶開始，然后是（b）將應用參數轉化為光學系統布局的光學系統設計師，到（c）將光學系統的參數和公差轉化為優化制造鏈的光學制造鏈設計師，最終將其移交給（d）生產制造。雖然光學設計軟件工具可以很好地支持客戶和光學系統設計師之間的交流，但光學系統設計師和光學制造鏈設計師之間的交流至今仍然完全基于人與人的交互。這種交互方式是光學系統制造過程中最后的主要障礙之一，因為它基于個人判斷，不是確定性的，在很大程度上取決于人的經驗和談判。與所有設計和生產系統一樣，大部分生產成本是在設計階段確定的。特別是在光學制造中，設計參數對生產成本的影響是巨大的，因為有各種各樣的制造技術可供選擇。因此，在工業上，強烈需要能夠通過調控光學制造鏈，以實現確定性、可預測性和優化的制造鏈布局、成本和交付時間。
展開 光學設計中的光學加工鏈建模
Oliver Faehnle1,
OST – Applied University of Sciences, Buchs, Switzerland,
摘要：本文描述了對給定的光學設計進行調控和仿真的策略，以及沿制造鏈應用的最佳光學制造技術集（OFT）。這樣，就可以在光學設計階段進行成本影響分析，從而優化設計，降低制造成本和風險。
1. 簡介
在現代光學系統中，隨著技術的快速多樣化和專業化，我們面臨著在高度專業化的個人、過程和機器之間進行可靠通信的需要。從最初的想法到最終的光學系統，一般會涉及四個方面：從（a）想要將光用作工具的客戶開始，然后是（b）將應用參數轉化為光學系統布局的光學系統設計師，到（c）將光學系統的參數和公差轉化為優化制造鏈的光學制造鏈設計師，最終將其移交給（d）生產制造。雖然光學設計軟件工具可以很好地支持客戶和光學系統設計師之間的交流，但光學系統設計師和光學制造鏈設計師之間的交流至今仍然完全基于人與人的交互。這種交互方式是光學系統制造過程中最后的主要障礙之一，因為它基于個人判斷，不是確定性的，在很大程度上取決于人的經驗和談判。與所有設計和生產系統一樣，大部分生產成本是在設計階段確定的。特別是在光學制造中，設計參數對生產成本的影響是巨大的，因為有各種各樣的制造技術可供選擇。因此，在工業上，強烈需要能夠通過調控光學制造鏈，以實現確定性、可預測性和優化的制造鏈布局、成本和交付時間。
2.
展開 設計仿真 | MSC Nastran助力AEH公司光學系統的機械設計
01
背 景
光學系統中常見的機械故障是支撐結構的剛度不足。剛度對于保持光學元件的對中和實現足夠的光學性能至關重要。機械工程師有責任在機械設計中提供足夠的剛度。
光學工程師喜歡將機械工程師的結構設計導入到他們的光學設計程序中來對其進行評估。這個過程包括將機械工程師的CAD模型導入到結構分析有限元程序中，然后再將有限元分析結果導入到光學設計程序中。為了方便這個操作，光學工程師開發了解析器和插值器，這使得光學工程師可以觀察到機械設計對光學圖像的影響。光學程序通常是針對光學幾何的大位移非線性求解器。
對于機械工程師來說，這個過程有兩個缺點。首先，它需要一個比較完整的系統CAD模型，而這個模型只有在機械設計的后期才能給出。因此，機械設計的缺陷只能在機械設計過程的后期才被發現。其次，通過解析器和插值器從光學效應追蹤到可能導致光學問題的機械設計特征是有問題的。因此，難以對機械設計制定合理、有效的變更。
光學工程師認為需要使用他們的大位移非線性程序來分析機械變形引起的擾動。然而，對于1米尺寸大小的結構，光學元件允許的變形通常很小，在微米量級。對于這種大小的擾動，可以表明工程精度不需要非線性求解器。
展開 
Ansys旗下Zemax OpticStudio STAR模塊榮獲SPIE軟件類 “棱鏡獎”
"去年春季發布的新款關于結構、熱分析的（STAR）模塊優化了OpticStudio與有限元分析（FEA）軟件之間的工作流程，為光學設計與仿真帶來更多可能性。"
通過擴展OpticStudio的功能，納入基于FEA數據的結構、熱對光學性能影響的仿真分析（STOP Analysis），STAR模塊提供了一個集成式工作流程，可以簡化光學設計流程，同時有助于減少設計仿真誤差，縮短研發時間，并降低開發成本。
STAR模塊集成到OpticStudio中，可以更輕松地導入FEA數據、分析結構與熱對光學系統性能的影響，并直接在一個軟件中實現工作流程自動化。
OpticStudio STAR模塊高級產品經理Esteban Carbajal指出：“STAR模塊向工程師和設計師提供了寶貴信息，幫助他們了解結構和熱因素將如何影響其設計的光學性能，同時實現工作流程自動化。此次憑借光學設計與仿真方面的這一重大進展而獲獎，我們引以為豪。”
此外，借助內置工具，STAR模塊允許用戶便捷地同時觀察導入的FEA數據和其分布情況，以便在數值擬合或后續仿真之前更輕松地完成對齊驗證與評估。
Ansys副總裁兼電子、半導體與光學事業部總經理John Lee稱：“通常，為了開展STOP分析，工程師必須處理在OpticStudio與FEA軟件之間協調系統對齊等難題。STAR模塊可消除此障礙，并提供簡化、先進的解決方案，可以輕松集成到任何仿真工作流程中，國際光學工程學會表彰了該模塊對光學創新的重大貢獻，我們深感榮幸?！?/span>
展開 設計仿真 | MSC Nastran助力AEH公司光學系統的機械設計
01
背 景
光學系統中常見的機械故障是支撐結構的剛度不足。剛度對于保持光學元件的對中和實現足夠的光學性能至關重要。機械工程師有責任在機械設計中提供足夠的剛度。
光學工程師喜歡將機械工程師的結構設計導入到他們的光學設計程序中來對其進行評估。這個過程包括將機械工程師的CAD模型導入到結構分析有限元程序中，然后再將有限元分析結果導入到光學設計程序中。為了方便這個操作，光學工程師開發了解析器和插值器，這使得光學工程師可以觀察到機械設計對光學圖像的影響。光學程序通常是針對光學幾何的大位移非線性求解器。
對于機械工程師來說，這個過程有兩個缺點。首先，它需要一個比較完整的系統CAD模型，而這個模型只有在機械設計的后期才能給出。因此，機械設計的缺陷只能在機械設計過程的后期才被發現。其次，通過解析器和插值器從光學效應追蹤到可能導致光學問題的機械設計特征是有問題的。因此，難以對機械設計制定合理、有效的變更。
光學工程師認為需要使用他們的大位移非線性程序來分析機械變形引起的擾動。然而，對于1米尺寸大小的結構，光學元件允許的變形通常很小，在微米量級。對于這種大小的擾動，可以表明工程精度不需要非線性求解器。事實上，可以認為光學函數比固體力學函數更具線性，而有限元方法本身也是固體力學函數的線性簡化。
02
挑 戰
機械工程師在光學系統設計中的工作是檢查機械設計空間，尋找潛在的光學問題。為此，機械工程師需要工具將設計的力學行為與系統的光學行為聯系起來。這些工具需要適用于早期簡化的設計概念模型以及最終確定的詳細CAD模型，需要與光學工程師和機械工程師在項目后期可能進行的任何分析保持一致。
展開 光學仿真 | 仿真推動以人類視覺感知為本的汽車顯示設計
如果產品設計無法使終端用戶產生共鳴，就不會存在卓越的工程設計。您可以設計一種結構堅固的方向盤，但如果它被放在錯誤的位置，就無法實現其用于轉向的主要目的。
同樣，在圍繞人類視覺進行設計時，顯示器其實無需具備盡可能高的亮度或能量輸出。光學工程師可能會追求上述特性，但是這種期望往往會讓設計的目的被忽略掉。優化車輛顯示以終端用戶為中心，因此應該重點關注他們感知周圍世界的方式。
談到功能，在很多設計方面都存在改進的空間：
·字體大小：顯示器設計可以減小像素大小適應低分辨率，最終以精細的圖像顯示在屏幕上。
·對比度：可讀性會被文本和背景之間的感知對比影響。在低對比度條件下，文字更難以看清，尤其是在駕駛員應該把注意力放在道路上的導航場景中時。
·材質：當顯示器被灰塵或油性指紋覆蓋時，在極端情況的日照位置下更難讀取信息。攝像頭上的灰塵或擋風玻璃上的雨滴也會產生類似的問題。
·人機交互：顯示器的物理位置和方向會影響駕駛員和乘員對屏幕的感知。優化設計能提高人機交互的總體質量。
·視野：與抬頭顯示器（HUD）更緊密相關的是，工程師們正在開發支持更廣闊視野的光學技術，并在真實世界條件的基礎上疊加投影信息。這些技術預計將適用于小空間，以避免破壞儀表板的美感或占用儀表板下的寶貴空間。
實際應用中的人類感知設計
在早期，工程師們通過測試光如何與LED晶體或OLED層等不同幾何結構的相互作用來設計納米級的顯示器。隨著設計從光子組件模型擴展到光學組件模型，設計的焦點也轉移到了偏振層和表面涂層等元素。由于大多數汽車制造商都依賴外部供應商的顯示技術，因此設計的最后階段的重點，是將顯示器集成到車輛中。
日照研究確定了極端情況的日照位置，并分析了來自其它光源的反射。在某些情況下，后處理算法允許用戶看到比如眩光投射在屏幕上的效果。
展開 SPEOS—光學產品設計及仿真工具
SPEOS是ANSYS公司功能強大的光學仿真軟件，用于光學設計、環境與視覺模擬、成像仿真等，強大的解決方案提供了可視化光學系統和直觀的人機交互平臺，其仿真技術已廣泛用于汽車、電子電器、精密儀器、照明設備等領域。SPEOS軟件內嵌ISO和CIE國際標準，可整合結構進行光機系統的設計，依據人眼視覺特征和材料真實光學屬性進行場景仿真，能夠在產品設計階段對方案的可行性進行驗證，在設計前期發現、反饋和處理問題，使光學設計以快捷、超同步、易優化的形式實現理想的產品解決方案。
產品介紹
SPEOS的典型應用包括汽車內部視覺環境人機工效模擬分析、汽車內外飾燈具設計及模擬分析、車載成像系統虛擬驗證、HUD設計及仿真分析等。
?? 汽車內部視覺環境人機工效模擬分析
汽車運行的時間、地域、天氣狀況都較為復雜，因此汽車內部廣泛存在各種光學干擾，比如陽光照射在顯示屏或者飾條飾件上產生的反射眩光、陽光照射在儀表盤產生的大面積的泛白、日間或者夜間的成像反射、夜間顯示屏在主要視野區域形成的倒影等。通過SPEOS軟件，可以在設計之初對可能存在的隱患進行光學模擬，并給出人眼視覺模擬結果，在產品研發早期找出可能存在的隱患并進行有效更正。
圖1 整車人機工效人眼視覺模擬結果
??汽車內外飾燈具設計及模擬分析
SPEOS可以覆蓋汽車內外飾燈具從設計到仿真模擬的全過程。在設計方面，SPEOS擁有強大的光學器件設計功能，能夠進行汽車內外飾燈具光學結構的快速參數化設計及修改，SPEOS支持的設計類型可以涵蓋車燈設計領域的各種基礎光學器件。
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