光學仿真優化的案例
光學仿真 | 優化汽車內部照明體驗
本文原刊登于Ansys Blog：《Optimizing the Interior Automotive Lighting Experience》
作者：Gwenael Moysan | Ansys應用工程經理
編輯整理：劉洋 | Ansys應用工程師
當我們談論優化人類感知的內部照明時，我們實際上指的是兩個重點領域：安全性和駕駛員體驗。如果內部照明可以提供盡可能最佳的體驗，駕駛員則能夠更好地應對頗具挑戰性或意外的駕駛狀況，并且減輕疲勞感。除了功能優勢外，內部照明可以使汽車變得更具時尚、現代感，讓人心情愉悅，或者也可以使汽車酷炫感十足。如今，照明在汽車造型中發揮著重要作用。
內部照明包括衛星導航/GPS，車頂燈，存儲、閱讀和環境照明，例如光導或光管。上述每一種照明類型都會影響駕駛員的舒適性和安全性。工程師需要平衡光學要求（例如均勻性）以及與性能和成本相關的其它重要規范。得益于多物理場仿真，工程師可以考慮復雜的人性化設計，同時滿足核心工程設計約束條件。
環境照明的設計注意事項
在為汽車設計尋找盡可能最佳的照明配置和材料選擇時，工程師面臨著諸多光學挑戰。
展開 speos caa光學仿真分析軟件網點優化案例分享
其VE人眼視覺模塊獨步天下，計算速度奇快無比，操作便利，CAA版本外掛catia軟件，可利用catia的強大參數化設計或catia宏語言優化光學設計，獨立版的speos類似ASAP，不過還是比ASAP容易上手。大家一般認為其網點設計與仿真比lighttools等光學軟件功能差很多，實際上speos caa的網點設計也很強大，不過操作稍顯復雜些，需要在catia里面編程控制復雜的網點生成，新版本的speos caa無需編程，網點設計增強很多，而且里面的OSD模塊可以輕易設計出大家討論的鱗甲、導光管、各種各樣的車燈花紋等，唯一遺憾的是CAA版本不能能結合gtools的強大網點設計能力。
本人比較喜歡speos這個軟件，最近研究了一下speos caa的網點設計，有一些心得和感觸，獨立版的speos可以導入gtools網點我就不再贅述了。這里是一個具體的簡單網點設計過程，歡迎大家交流分享！具體的說明請看圖片里面的解釋！
展開 光學 | 仿真技術推動可穿戴健康監測設備領域革新
Ansys光學產品在光學仿真與優化領域的能力，將為可穿戴技術帶來更加光明的未來，使其更加高效，并更具影響力。通過彌合高級光學工程與實際應用之間的差距，Ansys正在幫助工程師設計新一代智能互聯設備，這些設備能夠改善人們的生活，并讓全球消費者受益。
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展開 光學仿真太有趣了！（內含案例）
wx_fmt=png" width="100%"> </p><p><span style="color: rgb(178, 178, 178);">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</span></p><p><br></p><p>在Jabra的耳機/揚聲器產品上，也有用到光學仿真來優化導光柱的設計，以保證我們的光學效果，只有光線亮度合適又均勻，才能給用戶提供高級舒適的體驗。</p><p> <img src="https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/tV8UzuX5TdAFuSUqg6icXRBCdn9zzficBI3rFLQLFqzJ1japiaJVA6mnLbB7iavBWWyZaemERhicAicHskicqmHVDtekg/640?wx_fmt=png" width="100%"> </p><p><br></p><p>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，為了實現這樣的效果，在前期設計中，進行了大量的光學仿真——通過光學仿真對LED排布，不同顏色光能量調節，導光柱結構設計及材料屬性做了優化，使其亮度更均勻，光能效更高更節能。</p><p><strong>光學仿真軟件</strong></p><p><br></p><p>比較知名的光學仿真軟件有Ansys Speos, 以及同屬于Ansys光學大家族的Zemax, Lumerical。強是真的強，貴也是真的貴。當然，貴是你的問題，不是它們的問題（扎心了）。
展開 
2026 | OAS光學軟件-幾何光學與波動光學跨尺度仿真
02/幾何光學
在幾何光學領域，OAS 軟件基于光線追跡核心算法，為光學系統的研究與設計提供了高效、精準的一體化分析手段。
成像設計解決方案
光學軟件為成像系統設計提供從建模、優化到分析的一體化平臺。它支持從基礎透鏡到復雜多重結構系統的建模，可靈活設置孔徑、視場等關鍵參數并進行實時光路預覽。軟件內置優化算法，支持像差自動校正、多配置優化和公差分析，能針對多目標進行自動化迭代優化。在分析方面，軟件提供全面的像質評估工具，包括MTF、點列圖、波前圖等，支持對成像系統的核心性能進行專業評估。
照明與汽車光學解決方案
軟件為照明和車燈設計提供了強大的虛擬仿真與優化功能，能夠進行精準的光學性能與效果分析，完成自動化參數優化與方案驗證。其核心功能完整覆蓋了車燈設計、激光雷達光學系統、抬頭顯示器（HUD）以及內飾氛圍照明等關鍵環節，實現了從光源、光路到分析的全鏈路仿真，從而系統地滿足汽車行業在智能化與個性化趨勢下的光學創新需求。
雜散光解決方案
軟件能夠在儀器加工之前，通過高精度虛擬模型全面模擬和分析包括鬼像、衍射、散射及紅外熱輻射在內的各類雜散光現象，并提供了如路徑分析和提取、自動篩選照明關鍵面等工具，為光學工程師提供從識別、評估到修正的一體化工具體系，從而在設計階段有效消除雜散光干擾，保障光學系統的高精度與可靠性。
光機解決方案
OAS內置輕量化CAD核心，通過結合參數化與自由建模雙模式，提供從簡易機械結構到復雜光學元件的一體化設計與建模支持，實現了光學、機械與電子領域在設計數據、仿真流程與工程變更層面的深度融合與高效協同。
展開 離軸反射式光學系統面型選擇及其優化 | SYNOPSYS 光學設計軟件課程第67課
<p>根據現代<span style="color: var(--weui-LINK);">光電信息技術</span>對信息發送、接收、轉換、傳遞與存儲功能的特殊需求，光學面形可由不規則、復雜非對稱的自由曲面隨意組合而成。光學中的自由曲面是指無法用球面或非球面系數來表示的曲面，主要是指任意非傳統、非對稱的曲面，以及微結構數組和參數向量表示的任何形狀的曲面。</p><p> </p><p>采用先進的數控超精密制造技術可直接加工出自自由曲面光學鏡面，能達到亞微米量級面形精度與納米量級的表面粗糙度。</p><p> </p><p>自由曲面廣泛的應用在以下領域：投影鏡頭、衍射光學器件、頭盔式顯示器、車燈反射面、LED 照明系統、汽車 HUD 抬頭顯示、離軸系統等等。</p><p> </p><p>本文將在課程六十六中的自由曲面初始結構的基礎上展示使用 SYNOPSYS 軟件進行離軸反射式光學系統設計以及優化過程。</p><p> </p><p>首先這里展示選取特殊面型作為反射鏡的方式：以上次課程中的優化宏為例： </p><p><br></p><p><strong><img src="https://mmbiz.qpic.cn/sz_mmbiz_png/sITFjEClTzAvwIeLdeYia5plHMVOx6TxbUN8icZIR2icFxuMnlMKNsyYTqvp0H21oDXJNEGbDavsqIZ14Aa09PbHA/640?
展開 Ansys Lumerical | CMOS – 光學仿真方法
Cazaux， “基于FDTD的CMOS圖像傳感器像素架構和工藝優化光學仿真方法” Proc. SPIE 6816， 681609 （2008）
2.Jér?me Vaillant，Axel Crocherie，Flavien Hirigoyen，Adam Cadien和James Pond，“應用于CMOS圖像傳感器的均勻照明和嚴格的電磁仿真”，Opt. Express 15，5494-5503（2007）
iSIGHT多學科優化應用: NASA太空望遠鏡(NGST)熱、結構、光學多學科優化
典型的多學科優化設計問題：
光學：CODE V® optical software
結構：MSC/NASTRAN® structural analyzer
熱： SINDA/FLUINT and Thermal Desktop thermal design system.
optiOpt-ICES2002b_SINDA.pdf
光學設計中的優化思路
眾所周知，光學設計，結構是最重要的，一個合適的結構，往往很容易優化出結果，一個不好的結構，就算加再多像差操作數，也只會越跑越糟。
如果確定一個結構是否正確，這個篇幅太長，后續會整理成視頻。
本文主要講述在得到一個合適的初始結構的情況下，如何正確地優化出我們想要的結果。
相信不少人聽到過，先優化曲率半徑，然后優化正透鏡厚度和大的空氣間隔，然后優化負透鏡的厚度，這個按部就班的方法，有利有弊。好處在于這個方法不容易把結構跑壞，這對于初學者來說可能是個辦法。但是不好的地方在于，對于初學者，你會很難知道這個結構中最重要的那一片或那幾片玻璃是什么，導致的結果就是雖然偶爾碰碰運氣優化出了比較好的解，但是始終得不到進步。光學設計中，要想優化得到進步，一定要一眼能夠看出各個鏡片在一個結構中起到什么作用，貢獻什么像差，沒有這片鏡片會有哪些壞處，這個鏡片該厚還是該薄，到底是用兩個雙膠合還是用一個三膠合。
光學設計中的優化，始終記住一個點，操作數越少越好。一個正確的結構，是不需要那么多操作數的，操作數其實就代表了約束，約束太多，難免會起沖突，就像做手機鏡頭的時候，你把空氣邊緣控制得太死，那么永遠無法優化出一個好的結果。而一個錯誤的結果，就算加一百個像差操作數，那像差也下不去。
所以要想理明白優化思路，一定要去選擇一個合適的結構。就比如說有這樣一個指標：
光圈F2，焦距35mm，半視場20°，畸變＜1%。
那么這個最合適的結構，或許就是雙高斯了。看到這么低的畸變，首要想到對稱結構，然后根據其他的參數來判斷對稱結構是否可行。如果優化過程中發現結構不對，那不要猶豫，馬上換。
展開 Moldex3D模流分析之光學射出光學件成型仿真
料光學組件由于加工特性帶來的高性價比及可應用性，在光電、3C及汽車等領域被廣泛應用取代傳統玻璃材料，但高肉厚和高厚薄比的極端產品設計應用射出成型制程容易產生噴流、包封、表面凹痕、真空泡等成型缺陷，需要的冷卻時間過長與過大的體積收縮率也導致產品精度與生產效率難以提升。
分層射出是光學產品極端設計的解決方案之一，透過將極端產品設計分解成堆棧的A-B層依序成型，改善高肉厚帶來的成型挑戰。Moldex3D光學分析支持預測多材質射出A-B層在成型過程產生的流動殘留應力與熱殘留應力，并提供最終產品的條紋級數與光彈條紋，利用Moldex3D進行多材質射出的光學分析。
第一射(A層)分析
步驟1: 為第一射仿真準備模型及分析組別
首先在Moldex3D Studio準備好第一射的射出成型分析組別，選擇的材料文件必須具有光學性質頁簽，包含無配向之折射率、流動導致應力光學系數、和熱導致應力光學系數等參數。
步驟2: 為第一射模擬設置計算參數及分析計算
在計算參數的黏彈/光學頁簽中，勾選預測流動殘留應力在流動/保壓階段和預測流動殘留應力在冷卻階段。確認完所有的分析設定后，將組別送出計算。待計算完成后在流動、保壓和冷卻分析均會輸出流動誘導殘留應力的結果項。
第二射(B層)分析
步驟3: 為第二射仿真準備模型及分析組別
接著為第二射準備新的分析組別，模型包含產品(B層)和嵌件(A層)。與第一射分析相同，用戶必須選擇具有光學性質的產品與嵌件材料文件，且嵌件的幾何和材料必須與第一射相符。
步驟4: 為第二射模擬設置多材質射出之光學件分析
分析順序設定中，選擇瞬時分析加上光學分析，確保光學分析可以完整考慮流動導致應力和熱導致應力的效應。
展開 Ansys Zemax | 如何優化非序列光學系統
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概要
本文提出 了一種優化非序列光學系統的方法。 推薦的方法是使用像素插值(Pixel Interpolation)、探測器數據合集(光照時刻數據)和正交下降優化器。 例如，優化一個自由曲面反射鏡，使 LED 的亮度從23 Cd 到大于250 Cd只需幾步。
簡介
OpticStudio 的優化功能允許用戶通過將系統參數設為變量，在評價函數編輯器中定義性能標準來改進設計。這個過程會對設計產生巨大的影響，所以選擇合適的變量和標準非常重要。序列模式和非序列模式中可用的標準類型有所不同。本文為非序列系統的優化提供了一種建議方式。
例如，通過優化自由曲面反射鏡，最大限度地將 LED 的亮度從23 Cd 提高到大于250 Cd，只需幾分鐘。
阻尼最小二乘法與正交下降法對比
OpticStudio 中有兩種局部優化算法 :阻尼最小二乘法(DLS) 和 正交下降法(OD) 。DLS 運用數值微分計算，在一個較小的評價函數設計的解空間里確定優化方向。這種梯度方法是為光學系統設計專門開發的，被推薦用于所有成像和經典光學優化問題。然而，在純非序列系統優化中，由于采用像素探測器進行探測，DLS 的優化效果較差。并且評價函數本身是不連續的，這也可能導致梯度搜尋方法失敗。
下面是當評價函數只有一個變量時，對非序列系統的評價函數進行查看 。
可以看出，很長一段區間內評價函數根本沒有變化，發生的變化是突然且不連續的。這使得通過梯度搜尋方法進行優化變得困難。
正交下降優化利用變量的正交化和解空間的離散采樣來降低評價函數值。OD 算法不計算評價函數的數值微分。
展開 
機載光學傳感器優化設計
機載光學傳感器優化設計
近期，我們對一種機載光學傳感器進行了優化，該傳感器通常內置于遙感數據設備上（比如直升機）。這種光學傳感器的鏡坯由玻璃陶瓷制成，具有極低的熱膨脹和動態變形特性，在工作條件下，要求其幾何形狀變化及位移必須維持在極小的限度以內。因此，操作過程中的最小變形和低重量是該產品設計的兩個主導因素。
機載光學傳感器的自動優化流程
本次研究目的是由CAESES提供一個全參數化的鏡坯幾何模型，通過兩個軟件包之間的耦合連接，實現模型能夠在ANSYS Workbench中分析及優化。安裝應用程序CAESES ACT便可使CAESES參數化模型在Workbench中實現動態變化，之后連接模態或靜態結構系統進行分析。其優化結果表明，這樣的自動化流程有利于得到理想鏡坯方案。
下圖為基礎方案與優化方案的結果對比。
PDF下載
本次研究內容在CADFEM ANSYS 2017會議中能夠找到，全文下載鏈接 “ CAESES參數化建模工具在ANSYS Workbench上的應用-ZLC.doc ” ，文章對工作進行了更詳細的總結。
展開 [光學工程] JCMsuite納米光學仿真分析軟件
JCMsuite是一款來自德國JCMwave公司、最適于復雜納米光學系統的仿真和設計軟件。它利用最先進的技術，為光學、連續介質力學和熱傳導問題提供快速準確的數值求解。它提供易用的腳本環境、可集成分析工具（如MATLAB、Python等）、機器學習優化技術等功能。”
JCMsuite是一款功能強大且靈活的仿真計算軟件，最適于復雜納米光學系統的仿真和設計。它利用最先進的技術，為光學、連續介質力學和熱傳導問題提供快速準確的數值求解。JCMsuite為您提供易用的腳本環境使用界面，并能完全集成在數據分析工具包中，且通過最新的機器學習技術優化您的光學系統。
01
—
復雜光學系統的仿真
JCMsuite是一個完整且易用的有限元計算軟件，用于計算復雜納米光學系統中的電磁波、彈性和熱傳導。 基于數學和計算科學理論，JCMsuite擁有極短的計算時間、緊湊的數據空間需求和高度可靠性。
02
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分析和優化
JCMsuite包含用于高效地分析和優化納米光學器件或其他光學系統特性的工具。高級的機器學習技術可以有效地搜尋最佳設計，并顯著縮短開發時間。
03
—
JCMsuite技術
JCMsuite是基于先進的數學方法和計算科學技術。它利用有限元方法（FEM）的強大功能和靈活性來實現快速準確的仿真計算，并使用最新的機器學習技術來優化復雜的光學系統。
1、CAD和網格劃分工具
JCMsuite幾何創建和網格劃分工具專門用于光子應用。
形狀和幾何形狀：可以使用線性或彎曲單元創建各種CAD幾何圖形，例如2D和3D基元、擠出、圓角形狀和自由形狀等。
展開 ZEMAX | 如何優化非序列光學系統
本文提出
了一種優化非序列光學系統的方法。
推薦的方法是使用像素插值(Pixel Interpolation)、探測器數據合集(光照時刻數據)和正交下降優化器。
例如，優化一個自由曲面反射鏡，使 LED 的亮度從23 Cd 到大于250 Cd只需幾步。
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簡介
OpticStudio 的優化功能允許用戶通過將系統參數設為變量，在評價函數編輯器中定義性能標準來改進設計。這個過程會對設計產生巨大的影響，所以選擇合適的變量和標準非常重要。序列模式和非序列模式中可用的標準類型有所不同。本文為非序列系統的優化提供了一種建議方式。
例如，通過優化自由曲面反射鏡，最大限度地將 LED 的亮度從23 Cd 提高到大于250 Cd，只需幾分鐘。
阻尼最小二乘法與正交下降法對比
OpticStudio 中有兩種局部優化算法
:阻尼最小二乘法(DLS)和
正交下降法(OD)。DLS 運用數值微分計算，在一個較小的評價函數設計的解空間里確定優化方向。這種梯度方法是為光學系統設計專門開發的，被推薦用于所有成像和經典光學優化問題。然而，在純非序列系統優化中，由于采用像素探測器進行探測，DLS 的優化效果較差。并且評價函數本身是不連續的，這也可能導致梯度搜尋方法失敗。
下面是當評價函數只有一個變量時，對非序列系統的評價函數進行查看。
可以看出，很長一段區間內評價函數根本沒有變化，發生的變化是突然且不連續的。這使得通過梯度搜尋方法進行優化變得困難。
正交下降優化利用變量的正交化和解空間的離散采樣來降低評價函數值。OD 算法不計算評價函數的數值微分。對于評價函數存在原本噪聲的系統而言，例如非序列系統，OD 通常比 DLS 算法要好。
展開 線上研討會 | OAS 光學軟件-生物醫學光學仿真
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