市场规模飙升！国产光学仿真软件在镜头设计中应用与探索
导读：2023 年，全球光学仿真软件市场规模约达 23 亿元（人民币）。在这一市场格局中，国外商业软件占据了约 85% 的份额，处于主导地位。然而，近年来随着国产替代进程的推进，国内航空航天、工业镜头、半导体等行业蓬勃发展，对国产光学仿真软件的需求呈现出持续增长的态势 ，这为国产软件的崛起开拓了广阔的发展空间。
市场研究机构预测，到 2030 年，全球光学仿真软件市场规模有望攀升至 47 亿元，在 2024-2030 年期间，年复合增长率将保持一定水平。尽管当前国产光学仿真软件在国内市场的份额相较于国外软件仍有差距，但正逐步提升，未来发展潜力巨大。
1月14日19时，2024国产工业软件新进展专题报告会第十九期，我们将邀请武汉二元科技有限公司技术团队做《国产光学软件在镜头设计中的深度应用与探索》线上讲座。您不仅能收获专业的光学知识，还可以申请免费试用 ROD 和 OAS 软件，详情见后文：
2024国产工业软件新进展（十九）：国产光学软件在镜头设计中的深度应用与探索-仿真秀直播
一、写在文前
在进行光学设计时，即使系统设计得再完善，我们仍可能在像面上看到一些预期之外的能量分布。如何找出这些由非预期光线所产生的能量， 并试着以外加的光学元件吸收或阻挡这些光线，将是杂散光分析中至关重要的环节。本文是三篇杂散光分析系列文章中的第一篇，将介绍如何在 OAS 软件中，观察此时系统产生的杂散光。
一般情況下，在进行机械的设计之前，我们必须先考虑杂散光的影响。杂散光意味着入射光会通过预期之外的路径穿透整个光学系统到达像面，如此的结果将导致最终成像质量的下降。
以摄影为例，视场外的强光源（例如太阳）为常见的杂散光来源。这类光源的光可借由系統的机械或光学元件散射到达像面。另一方面，部份视场内光源的光会在镜面进行多重二次反射 (secondary reflection) 后汇聚在像面上。
二、国产光学OAS软件的杂散光分析
首先，我们将以一个案例系统介绍杂散光的分析。打开案例“双高斯.OASF”文件，该案例的2D图如图1-1所示：
图1-1 2D图
1、多表面编辑
我们会使用 OAS 中一些好用的功能完成杂散光分析的准备。该案例的镜头数据如图1-2所示。
图1-2 多表面编辑
如图1-3，我们先移除所有表面上的膜层，稍后我们会另外分析镀膜对光学系统的影响。
图1-3 所有表面膜层
2、建立光源
在完成上述步骤后，我们可以设置在光学系统中关键的光线路径，如主光线和部分的边缘光线，在完成设置后，我们就可以在非序列模式中检视这些光线了。在建立椭圆光源需要对基础信息，光线数量，光源大小，光线方向，位置旋转，波长/光谱进行设置，操作步骤如图1-4至图1-7所示。
图1-4 设置椭圆光源1基础信息
图1-5 椭圆光源1光线数量和光源大小
图1-6 椭圆光源1的光线方向
图1-7 椭圆光源1的位置旋转
图1-8 椭圆光源1的波长/光谱
上述步骤为建立椭圆光源1，还需重复上述步骤建立椭圆光源2和3，椭圆光源2，3的基础信息，光线数量，光源大小，光线方向，位置旋转，波长/光谱如图1-9和1-10所示。
图1-9 椭圆光源2的数据
图1-10 椭圆光源3的数据
3、设置光线分裂
光线分裂是进行非序列模式杂散光分析时十分重要的功能。在追迹工具列中选择非序列设置，在非序列追迹设置中的光线分裂次数为2。如此一来，我们就可以在视图中观察到光线在各表面上部份反射、部份穿透，以及多重反射的现象。这样的结果是在序列模式中是无法达成的。操作步骤如图1-11所示。
图1-11 设置光线分裂次数
在设置光线分裂次数为2之后，还需查看每个表面的光线分裂次数设置是否成功。如图1-11中的多表面编辑，点击鼠标右键，选择设置修改即可查看。
图1-12 多表面编辑-设置修改
4、建立探测器
在 OAS 软件中，在左侧树状图的探测器选项上，点击鼠标右键进行新增探测器，设置探测器类型，面型，探测器孔径，像素网格和光线过滤，鬼像探测器如图1-13至图1-15；像点探测器如图1-16所示。
图1-13 新增探测器
图1-14 鬼像探测器的类型，面型，孔径和像素网格
图1-15 鬼像探测器的光线过滤
图1-16 像点探测器的类型，面型，孔径和像素网格
5、光线追迹初步结果
当我们完成了前述的设定后，接着就可以进行光线追迹检视初步的结果了。点击追迹工具列中的非序列追迹，如图1-17。在完成非序列追迹后，在三维显示窗口查看追迹图像，如图1-18。
图1-17 追迹-非序列追迹
图1-18 非序列追迹
在图1-19中，我们可以看到在鬼像探测器中橘黄色点所代表的杂散光能量分布；在图1-19中，我们可以看到在像点探测器中绿色点所代表的杂散光能量分布，红色点为预期光路得到的像点。在这个系统中，这些非预期的光线来自于光学系统中各个表面的多重反射，这样的结果与前述的非序列追迹的3D视图相同。图1-20中，显示模式为伪彩色，坐标类型为对数（lg）。
图1-19 鬼像探测器
图1-20 像点探测器
三、国产光学软件在镜头设计应用
国产光学软件在镜头设计领域正发挥着日益重要的作用。在应用方面，它不仅能够助力设计师依据不同的使用需求，比如拍摄场景（是微距摄影、远景拍摄还是人像摄影等）、成像质量要求（分辨率、色差控制等），而且利用软件内置的各类光学模型、算法来精确规划镜头的光学结构，像确定镜片的数量、曲率、厚度以及材质等关键参数，进而完成从初始的概念设计到详细的结构布局工作。此外，在模拟光线传播、追迹光路等方面，该软件可以帮助提前预估成像效果，便于对设计方案进行调整优化。
在探索层面，一方面，国产光学软件不断尝试融合新的前沿技术，像人工智能算法来更智能地生成和推荐镜头设计方案，提高设计效率；另一方面，持续拓展其适用范围，例如探索如何更好地应用于新兴的光学镜头领域，如虚拟现实设备镜头、超高清监控镜头等，并且还在不断优化软件自身的操作便捷性、计算精度等，以更好地服务于镜头设计行业，推动国产镜头设计能力不断提升，在国际上更具竞争力。
1月14日19时，2024国产工业软件新进展专题报告会第十九期我们将邀请武汉二元科技有限公司技术团队做《国产光学软件在镜头设计中的深度应用与探索》线上讲座，以下是讲座安排：
2024国产工业软件新进展（十九）：国产光学软件在镜头设计中的深度应用与探索-仿真秀直播
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（完）
