导语
什么是光学仿真？光效也能仿真吗？我们团队的许工，用Ansys Speos做了一个小例子，借此，我们也来浅谈一下光学仿真，给各位读者大大做一些分享。专家看了请别见笑，欢迎探讨。
为了让产品看起来更酷炫，最近我们又搞起了光学仿真。为此，同事常半带吐槽的说，你们怎么什么都能仿？
对此，我表示：万物皆可仿真，只要给定合理假设。
话说回来，在仿真领域，面对结构/流体这些老大哥，光学仿真就像个没什么存在感的弟弟，能找个讨论的人也不容易（但因此也值钱呀，嘿嘿嘿），毕竟大哥们都是有限单元法，有限体积法...彼此之前切磋起来方便。光学仿真完全是另外一个门派。
光线追迹法
光学仿真修炼的是独门秘籍——光线追迹法。
光线追迹是一种使用几何光学来模拟光在光学系统中传播的方法。它的工作原理是追踪大量单独光线与光学表面（如透镜、镜子和滤光片）相互作用时的路径。这些光线的位置和方向是根据光学定律计算的，例如斯涅尔折射定律和反射定律。
正向和逆向光线追迹法示意图
光学仿真中的光线示意图
应用场景
虽然貌似小众，但实际上，光学仿真在各行各业都有十分重要的应用场景：专门研究光学器件的自然不必说，此外，在汽车行业，光学仿真用于设计和优化照明系统——例如前灯和尾灯，以提高安全性和美观性；还可用于模拟挡风玻璃和窗户中的光线行为， 这对于减少眩光和提升能见度非常重要，还可以用于HUD的光学模拟。
Ansys Speos 用于马自达汽车公司的前灯照明仿真
图片来源https://www.ansys.com/advantage-magazine/volume-xiv-issue-2-2020/mazda-sees-light-ansys-speos
笔者从事的是消费类电子产品行业，这个行业中，光学仿真的应用也比较广泛，只要涉及显示器，摄像头系统和光传感器的设备，都有可能需要运用光学仿真，例如智能手机，平板电脑，电视，智能手表，VR设备等。
（Ansys Speos官网上的案例，模拟人眼从不同角度查看OLED屏幕的效果，但是GIF图像素有点渣，看不太清楚）
还可以模拟OLED屏幕的莫尔条纹效应：
莫尔条纹是一种光学现象，当两种线或点图案相互重叠时会发生，从而导致出现新的干涉图案。这种干涉图案会产生视觉扭曲，例如波纹效果或额外线条或曲线的出现。
平面显示设备大量导入触控功能，经由ITO或是Metal Mesh结构生产Sensor为目前常用的方式。在显示器轻薄要求之下用于遮瑕之光学膜片更薄也更少，造成Bef、Color Filter或OLED、 touch sensor容易产生莫尔现象进而干扰视觉效果。
图片来源：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的耳机/扬声器产品上，也有用到光学仿真来优化导光柱的设计，以保证我们的光学效果，只有光线亮度合适又均匀，才能给用户提供高级舒适的体验。
上图是前不久Jabra新上市的Speak2系列，可以看到有一圈均匀的灯带，为了实现这样的效果，在前期设计中，进行了大量的光学仿真——通过光学仿真对LED排布，不同颜色光能量调节，导光柱结构设计及材料属性做了优化，使其亮度更均匀，光能效更高更节能。
光学仿真软件
比较知名的光学仿真软件有Ansys Speos, 以及同属于Ansys光学大家族的Zemax, Lumerical。强是真的强，贵也是真的贵。当然，贵是你的问题，不是它们的问题（扎心了）。
除此之外，LightTools也是一款很不错的工具，在汽车车灯设计领域应用也较广泛（毕竟相比Ansys有价格优势，但也不便宜啊）。
当然，如果你本来就是仿真世家，家里已经有一点老底，也许也能不多花一分钱，顺带做一些光学仿真：
比如已经有COMSOL，那也是可以用来做一些光学仿真的；我们除了Ansys Speos外，也会结合使用性价比更高的Tracepro来做一些快速的仿真，对我们平时的绝大部分设计工作，其实已经够用了（我们用的是Altair的token, Altair的APA（合作联盟）中有就Tracepro，所以Altair的license除了用于结构和流体散热仿真外，也可以用于光学仿真，性价比方面来说，真香~）
汽车内饰氛围灯案例
以下案例是许工按照Ansys官网中的例子做的，可以很直观的展现汽车内饰氛围灯的效果，非常有意思：
汽车内饰氛围灯，在早期灯光设计时，可以通过Speos仿真评估氛围灯亮灯后效果，以确定是否满足要求，例如：是否美观，是否会有潜在的干扰（比如干扰反射）。避免浪费前期有大量可以修改设计的机会，也避免浪费光导结构设计工程师的时间，因为等到光导结构都设计好了之后，再跟结构设计工程师，谈灯光效果不行，这时结构设计工程师或许需要大规模重新设计光导，而且还可能受其他的地方的影响，无法修改设计，因此，在产品开发早期就将光导的效果确认好时非常重要的。
图1 车门外观图
图1是项目早期所设计出的车门外观，白色区域为氛围灯灯光区域，因为还在早期，没有光导的结构设计，所以设该表面为一个具有一定角度的朗博面光源，此光源可以设置为平谱光源，并根据要求设定各个位置的亮度探测器，以此来评估和分析灯光在效果，同时也可以加入一个环境光源，以模拟在有环境光的情况下灯光的效果，可以使用光谱过滤对灯光效果进行后处理，得到RGB三种不同颜色下和不同RGB权重的白灯的效果。
图2 在Ansys Speos中的操作界面
图3 模拟的白光效果（未考虑环境光源）
图4 模拟的红光效果（未考虑环境光源）
图5 模拟的绿光效果（未考虑环境光源）
图6 模拟的蓝光效果（未考虑环境光源）
注意图3~图6中的光通量是一致的，但模拟人眼所感知的光线亮度却有所不同。绿光明显比红光和蓝光更清晰明亮，这是因为人眼对绿光的感知更为强烈导致的。
是不是让你想起了那首优美的歌曲:
（果然，绿光真的是最亮的）
下面我们加入环境光源，如图7所示，我们假定了一个1000尼特均匀亮度的环境光源，渲染出未亮灯的效果（未亮灯的效果有时候对外观设计也有重要的参考作用）：
图7 在1000尼特均匀亮度的环境光源下，未亮灯的效果
在Speos中，提供了更为真实的环境光源，供用户选择，我们可以选择一个特定的城市，特定时间下的光源环境，例如图8 是中国上海2023年3月6日傍晚六点自然光源下，车辆朝东时，左边车门氛围灯亮灯后的效果（注：因模型只有一个车门，因此与实际场景略有差异）。
图8 2023年3月6日，傍晚6点的上海，灯光打开的效果
图9 2023年3月6日，下午3点的上海，灯光未开的效果
而图9是2023年3月6日下午3点，中国上海2023年3月6日下午三点自然光源下，车辆朝东时，左边车门氛围灯未亮灯的效果（注：因模型只有一个车门，因此与实际场景略有差异）。
小结
光学仿真很有意思的地方在于，对于设计师而言，仅仅10分钟的仿真就能给出有方向性的指导，而如果愿意花费更多的计算量，则可以得到十分逼真的效果。恍惚间，觉得好像在做动画大片了~后续，我们还会继续推出一些光学仿真在电子产品导光柱设计上的应用，欢迎关注。
发现“分享”和“赞”了吗，戳我看看吧
微信
QQ
微博