光学仿真实例—电子产品灯光设计
【编者按】越来越“内卷”的时代，若真正想把产品做到极致，仿真是必须使用的工具。趁着Jabra Speak2 75新品上市，我们团队的高工作此文章，向大家介绍如何在Jabra Speak2 75中，应用Ansys Speos这一光学仿真工具来模拟和优化指示灯的设计。
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产品开发需要光学仿真
Jabra Speak2 75
一款适用于混合办公的专业扬声器
（图片来源于Jabra官方网站)
概念设计阶段
在概念设计阶段，设计师需要根据产品硬件配置、外观需求、产品定位等信息确定初步的导光(light guide)系统模型，包括确定PCBA上的LED预留区域、LED数量、LED最大功率、LED周围零件空间布置、光路路径等信息。
在这个阶段，设计师使用Speos光学仿真工具来模拟不同的导光系统设计方案，并对其进行初步的效果验证。通过对不同方案的比较和分析，设计师可以确定最优的导光系统设计方案，为后续的产品设计提供指导。
下图中，我们展示了优化前后的光学方案对比：
图1 导光亮度分布对比图
（左：原始设计 右：优化设计）
图2 基于人眼视觉的灯光效果对比图
（左：原始设计 右：优化设计）
我们还可以对比同等功率下，不同颜色的灯光呈现的效果：
图3 优化设计开蓝光效果
图4 优化设计开绿光效果
详细设计阶段
在详细设计阶段，设计师还可以使用光学仿真工具来模拟和优化导光系统的导光路径和横截面，例如通过DOE分析调整导光系统的形状、横截面、曲率、位置、材料、散射粉含量、LED排布以及纹路等，以优化不同视角范围的光线传输效率，以及亮度均匀性，并检查是否有漏光、光饱和度降低等问题。
在仿真计算完成后，设计师可以通过Speos软件中Virtual Lighting Controller界面，对光源的功率、光谱文件进行重新定义，而不需要重新进行计算，极大地节省了设计效率和设计成本。
图5 Speos软件中
Virtual Lighting Controller 界面
另一方面，在Jabra产品中，往往需要在Light guide 中添加散光粉以提高导光效果的均匀性，然而添加过多散光粉又会降低导光的效率。因此设计师会通过定义不同含量散射粉的Light guide，结合导光3D模型，设计DOE仿真实验，从而迅速地寻找最优近似解，以避免后续阶段的改模、试模等繁杂工作，从而节约经济成本和时间成本。
图6 Speos软件中
设置透明材料的光分散属性界面
基于人眼视觉的光效展示
另外，Speos软件提供丰富的内置环境光源以及人眼视觉系统，可以极为方便且真实地预测产品在不同环境下所呈现的真实人眼视觉效果，使电子硬件设计师可以根据仿真结果及时调节LED光源R,G,B亮度比例和功率，大大降低了后续开发过程出现问题的概率。
在产品试产阶段，塑胶模具、PCBA以及各电子器件基本已经确定。如果在这个阶段Light Guide 出现亮度不均匀、亮度偏低、可见视角太小等问题，凭借经验或盲试很难达到理想的效果。但如果利用AnsysSpeos进行问题重点仿真分析，例如通过Ansys Speos中的LightExpert 功能，直观地查看重点区域的光线传导路径，可快速查找亮度不均、可见视角小的根本原因，可以更快地找到解决其问题的方法和途径，并进行仿真验证。如此以来，模具厂可快速地、一次性地解决相关问题，加速模具的验证。
例如，以下3张图展现了灯光亮起时的效果，分别对应无环境光源下的人眼视觉效果（图7）、办公室环境光源下的人眼视觉效果（图8），以及办公室环境光源下的亮度探测器结果（图9）。
*注意，在按键内侧可以看到一些微小的漏光，这是本次仿真时对结构进行了部分简化导致的，实际产品并无此漏光现象。
图7 无环境光源下的人眼视觉效果
图8 办公室环境光源下的人眼视觉效果
图9 办公室环境光源下的亮度探测器结果
开关灯动画
供稿 | 高若晗
编辑 | 林 丽
特别鸣谢 | 许钰锹 高上地
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