光学仿真太有趣了！（内含案例）

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。

 

 

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。

 

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。

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。

 

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。

 

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）。

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。

 

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）：

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）。