数字孪生之光学仿真

多学科知识的数字化表达是构建产品数字孪生的基石之一。而多学科（Multi-Discipline）中又以多物理场为最常见的学科。多物理场（Multi-Physics）即指多个物理场的共存。在物理学中，一个物理场指一个物理量的值在时间和空间中的分布，但多物理场并非只是单个物理场的排列组合，多物理场的研究更多基于某个多物理场类型在实际中的普遍性和价值。

Sean Lang为伊利诺伊大学展览绘制了一幅《尺度、法则和生命》（Scale, Law & Life）的画，描绘了物理学中看似截然分立的领域，实则具有丰富的联系。最终，通过对各种尺度的物理现象的生动描绘及其数学描述，艺术家试图描绘人类和所有生命与宇宙及其壮丽的更宏大的联系。

从构思到定稿，艺术家花了大约一个月的时间完成这幅画。画中包含了十七个公式，来描述大量不同尺度的现象，艺术家试图将物理学的子领域整合为一个单一的整体。

这十七个公式分别是：电磁麦克斯韦方程组、流体运动纳维-斯托克斯方程（Navier-Stokes）、流体力学系统连续性方程、物体相对运动洛伦兹变换、广义相对论时空结构爱因斯坦场方程、黑洞的贝肯斯坦-霍金熵、爱因斯坦质能方程、不同尺度行为的重整化群方程、牛顿第二定律、熵增熵减热力学第三定律、统计力学配分函数、量子简谐振子、最小作用量原则、量子力学薛定谔方程、海森堡的不确定性原理、电子的相对论性方程式-狄拉克方程、爱因斯坦的光电效应。

为了能够构建能够进行产品性能优化的多学科数字孪生，尤其是在虚拟世界里的虚拟孪生模型，多物理场的数字化表达、验证和优化成为工业软件的核心功能之一。

以达索系统的3DEXPERIENCE平台为例，能够支持结构力学、流体力学和声学、电磁学和多体仿真等。

虽然在理论上来讲，多物理场的组合可能达到247种，但各种物理场对产品性能优化的重要性各不相同。

光学隶属于电磁学的范畴，因为光是一种电磁波。但光场是电磁场中非常独特的一个物理场。因为人类所接受的信息中，85%来自于眼睛，来自于可见光。

广义上来讲，所有的几何造型、外观曲面、材质、渲染、动画等等，均属于广义光学设计与仿真的范畴。但通常意义的光学设计和仿真软件仅指与光学器件设计相关的照明、成像、显示、激光，以及光源、光线、反射、折射、绕射、散射等。

光学仿真通常分为成像光学（Imageoptics）和非成像光学（Non-ImagingOptics）。

非成像光学应用于主要目的是对光能传递的控制而非成像的系统中。非成像光学应用于许多不同的领域，例如太阳能采集、光纤照明、显示系统以及LED照明等。

非成像光学是以提高光学系统能量传输效率和改善目标面能量分布为宗旨的学科，而成像光学是以提高光学系统的成像质量为宗旨，更加注重的是光信息的准确传输。

光学仿真软件广泛应用于照相机镜头设计、汽车照明设计、投影机灯光设计、望远镜、显微镜、光刻机、复印机、激光等各个行业和领域。

为了给客户提供更完整的多物理场数字孪生模型，达索系统将Synopsys光学设计解决方案与3DEXPERIENCE平台集成，来帮助客户创建更智能、更安全和独特的光学系统，以促进更安全、更智能的车辆的开发。通过将完整的光学系统设计工具与世界领先的虚拟孪生体验和产品生命周期管理软件相集成，设计人员可以获得业界首个汽车照明整体设计组合。

在3DEXPERIENCE 平台上使用Synopsys（新思科技）光学软件的设计师将受益于多学科开发过程，使他们能够定义、模拟和验证驾驶体验。这种集成允许开发更安全的车辆并实现独特的照明样式——同时加快向市场的交付。设计师还将受益于3DEXPERIENCE 平台的协作虚拟环境，该环境将产品团队联系起来，帮助他们共同互动和创新。

“照明变得越来越智能，成为主动安全和ADAS 的关键组成部分。其开发成本显着增加。达索系统与Synopsys 的长期合作补充了达索系统现有的产品，为汽车制造商和供应商提供了同类首创的解决方案，以在3DEXPERIENCE 平台内定义、测试和体验智能驾驶系统的照明和传感器，从功能要求到制造，”达索系统CATIA 首席执行官Olivier Sappin表示。

Synopsys 光学解决方案事业部和达索系统一起，已将双方目前的CATIA 应用合作伙伴关系扩展到3DEXPERIENCE 平台，以应对配备一系列先进照明和光学系统（包括自适应前照灯、摄像头、激光雷达和其他传感器）的车辆所面临的挑战。这些技术在确保车辆检测驾驶危险并协助驾驶员安全驾驶道路方面发挥着至关重要的作用。

3DEXPERIENCE 平台用户将能够访问Synopsys LucidShape、LightTools和CODE V ，利用先进、准确的技术对车辆照明（包括LED 像素灯和激光大灯）以及传感器系统进行建模。反过来，达索系统将为OEM 和供应商提供独特的机会，以在3DEXPERIENCE 平台内设计智能汽车的整个价值链，包括虚拟定位和测试车辆驾驶系统的能力。

Synopsys 光学设计工具在3DEXPERIENCE 平台上的集成还创造了未来机会，可以将这些解决方案扩展到3DEXPERIENCE 平台用户，涵盖从航空航天和国防到生命科学和医疗保健、工业设备、高科技和消费品等广泛行业。

Synopsys 光学设计工具覆盖成像系统设计和非成像照明设计。

CODE V，成像系统设计，是市面上功能最强大的光线追迹和光学设计软件，用于设计、优化和制造可靠的成像光学产品；LightTools，照明设计，提供照明设计软件环境，对照明光学进行建模、模拟、优化和可视化；LucidShape，汽车照明设计，用于设计汽车照明系统和夜间驾驶实时模拟。

【CODEV】

Code V用于设计、优化和制造可靠的成像光学元件，新思的工程师在设计和实施哈勃太空望远镜首次维修任务中使用的所有主要零透镜中发挥了关键作用，这大大提高了图像质量。

自1975年在世界范围内推出以来，CODE V在发展高度先进的光学系统方面发挥了重要作用，有时会对商业和文化产生深远影响。它已被用于开发革命性的应用程序，如VCD、DVD光盘播放器等。

CODE V是满足集成电路制造业严格的优化、分析和公差要求的主要选择软件。CODE V算法是微光刻透镜设计中的关键和主导技术，允许在计算机芯片上实现超细线成像，这是持续提高计算机速度、实现摩尔定律的必要因素。

CODE V软件为投影显示、医疗仪器、先进军事技术和空间探索等广泛领域的重要技术进步做出了重大贡献。由于其卓越和高质量性能的声誉，当光学对产品或项目的成功至关重要时，CODE V是首选软件。

Code V提供丰富的程序库，包括：

•注塑塑料透镜环境分析和材料公差

•光栅光谱仪波长相关的多配置功能

•数码相机镜头公差和制造分析特征

•高NA（numerical aperture，投影透镜的数值孔径）光刻光学偏振光线跟踪

•具有部分色散控制的侦察透镜玻璃优化

•望远镜和其他视觉系统真实无焦建模

•星载系统环境分析

•激光扫描系统衍射光束传播分析

•红外和紫外线系统特殊材料特性

•电信系统光纤耦合效率计算

•分段孔径系统非顺序光线跟踪功能

CODE V的Global Synthesis是一种非常有效的全局优化算法，可用于为具有大量变量和约束（包括变焦镜头）的系统找到多个独特配置。它使用定向搜索而不是随机命中或未命中的方法来寻找价值函数空间中的新谷峰值。全局综合比其他方法（如遗传算法或模拟退火）更快、更容易地解决现实世界中的光学设计问题。

CODE V还提供了强大的变焦镜头优化设计功能。全局合成对变焦镜头非常有效，通过强大的玻璃优化，可以实现出色的色度校正。CODE V开发了用于变焦镜头分析的专门功能，可帮助用户构建最佳镜头，而不仅仅是设计镜头。

倾斜和偏心反射系统很容易在CODE V中设置。用户定义的优化约束允许轻松控制离轴反射系统中的光束和组件间隙。

在选择光学设计软件时，优化能力通常是最重要的考虑因素。CODEV屡获殊荣的专有优化算法被业界领袖认为是无与伦比的。特色包括：

•RMS模糊、波前方差、MTF（Modulation Transfer Function，调制传递函数）、光纤耦合效率和完全用户定义的误差函数

•减小公差灵敏度控制（SAB）允许直接优化竣工RMS波前误差，以降低光学系统对制造公差的灵敏度，提高竣工性能，并将生产成本降至最低

•可用的最佳、最有效的全局优化算法

•阶跃优化（STP）加速优化收敛，并更有效地导航复杂的解决方案空间，以找到与传统阻尼最小二乘优化相比误差函数更小的光学系统解决方案

•智能优化默认值和一般约束

•有效精确的约束处理

•支持加权和惩罚函数约束处理

•轻松定义用户定义的约束

•玻璃专家和非球面专家，可自动选择最佳玻璃组和最佳非球面位置

•重要反馈，允许您确认优化进度，并在需要时指导变量、约束或优化控制变更

CODE V的分析算法因其准确性和速度以及与真实硬件的测量结果相匹配而得到认可。数万个客户装配设计实战、150多个人年的内部工程经验和数千个日常开发测试案例确保了即使在最复杂的光学系统上，Code V性能预测的质量。

CODE V的一套广泛的分析功能包括：

•许多诊断评估选项（例如，横向光线像差或OPD波前像差曲线）

•许多基于几何和衍射的图像评估选项（例如，点图和MTF）

•非连续光线跟踪

•偏振光线跟踪，包括双折射材料建模

•一般衍射光束传播

•部分相干1D和2D图像分析

•光纤耦合效率

•照明分析

•热红外水仙花效应分析

•二维图像模拟

Code V的光束传播分析准确预测了光学系统中任何位置衍射光束的强度、振幅和相位特性。光束合成传播（BSP）最初是为美国宇航局（NASA）开发的，用于解决地球行星探测器任务的严格精度挑战，它开创了一个行业准确度、效率和易用性标准。它使用了一种基于光束的算法，并具有专有的增强功能，旨在对通过光学系统传播的衍射波前进行极其精确和高效的建模。BSP的突破

预分析功能根据您的镜头系统自动推荐分析设置，并在尽可能短的时间内提供准确的答案。

部分相干分析可以基于通过光学系统的完全相干到完全非相干照明来预测一维或二维物体的图像结构。对于光子系统，可以预测衍射图像到单模光纤的光纤耦合效率，包括失调和光纤尖端解理角的影响。

CODE V的横向光线像差曲线、瞳孔图、光斑图、MTF曲线和点扩散函数图使用先进的算法来确保最精确的结果。

CODE V用于恒星干涉仪，可以显示使用非连续表面射线追踪和衍射分析特征从分离光圈产生的干涉条纹。

CODE V用于设计用于硬件的光学器件，并具有许多先进的功能，以加快上市时间，并在设计到达制造之前解决生产问题。您可以有信心以最低的重复和非重复成本提供性能最佳的竣工光学设计。特色包括：

•使用CODE V专有波前差分算法进行精确且极快的公差标注

•优化访问快速波前差分算法，直接优化竣工RMS波前误差

•确定最有效补偿器集的奇异值分解算法

•交互式公差电子表格，用于修改公差值，并立即查看对系统性能和补偿器运动的影响

•传统有限差分法和蒙特卡罗公差支持

•干涉图接口，用于将测量的干涉图应用于系统模型

•基于竣工干涉图分析的自动系统对准优化

•使用IGES、SAT和STEP文件格式进行CAD导出

•机械变焦镜头凸轮计算

•透镜元件重量和成本分析（材料和制造成本）

Code V的灵敏度和逆灵敏度（自动误差预算）公差能力基于可测量的性能指标，如RMS波前、MTF、畸变、Zernike波前系数等。可以声明多个补偿器，如果需要，限制为公差的补偿子集。还可以包括视轴补偿。

【LightTools】

LightTools照明设计软件，提供完整的照明光学设计、优化和分析方案。具有照明应用的虚拟原型设计、模拟、优化和逼真渲染（包括光源渲染）。

LightTools 促进了广泛的固态照明应用的创新设计，包括内部和外部车辆照明、光纤引擎、复杂光导、投影系统、机器视觉系统、太阳能收集系统等。

LightTools 在 3D 实体建模环境中结合了完整的光学精度、强大的光学和照明分析功能以及直观的交互式图形用户界面。在软件中“雕刻”的真实模型与模拟光线的光线交互，以生成可制造系统的虚拟原型。

LightTools 的蒙特卡罗光线追踪有助于对光机械模型中任何地方的照度、亮度、强度分布和CIE 色度数据进行准确的光谱建模。可以轻松创建各种预定义形状的体发光或面发光光源，甚至可以与机械和光学部件结合以形成灯、灯泡、LED和其他照明设备的模型。

LightTools SOLIDWORKS 链接模块是 LightTools 和 SOLIDWORKS 之间的直接链接，可为光学和机械设计团队提供简化且用户友好的工程环境。该模块使设计师能够将SOLIDWORKS 机械模型链接到LightTools，在那里他们可以分配光学属性、优化和直接更新他们的SOLIDWORKS 模型。

主要特点包括：

·      能够创建具有完全光学精度的复杂实体模型

·      先进的光线追迹速度、精度和分辨率要求可由用户完全控制

·      可将任何几何模型创建为光源，从而能够无限灵活地创建自定义光源

·      专属的应用工具可以帮助您快速地构建一个完整模型

·      种类繁多的光源及材料库，包含LED和BSDF（Bi-directional Scattered Distribution Function，即双向散射分布函数）测试数据

·      支持与CAD软件之间进行稳定的数据交换

·      支持与SOLIDWORKS之间进行数据的动态链接

·      可利用多重浸没功能对已封装的LED中所嵌入的荧光粉进行建模

·      与LightTools三维实体建模的全面集成可确保优化器能够提供实用、现实的解决方案，并能产生最佳的系统性能，而所花费的时间仅是手工操作的几分之一

·      背光图案优化能够对LCDs、手机键盘及汽车仪表盘的背光提取图案进行自动化设计

·      LightTools的交互式用户界面易于学习，其包括许多可在您创建及修改照明系统元件时能够提高生产效率的功能。

·      角度和空间亮度分析

·      模拟真实世界的环境，包括例如偏振、散射、反射、折射以及薄膜镀膜性能的表面效应。还包括诸如色散、体积吸收、体散射及颜色过滤的材料效应。

·      快速、稳定的正向和反向蒙特卡罗光线追迹

·      精确、快速地对照明系统的色彩表现力进行预测。

【LucidShape】

LucidShape是专为汽车工程师研发的顶尖光学设计软件。用于设计汽车前灯、后灯和信号灯以及反射器。

使用LucidShape FunGeo 快速轻松地创建反射器或透镜几何体。它利用专有算法根据用户定义的照度和强度模式自动计算和构建光学几何形状。这种独特的功能性方法让用户可以自由地专注于整体设计目标，而不是复杂光学组件的实施细节。

LucidShape 是第一个利用图形处理单元 (GPU) 计算的光学仿真软件，与多线程功能相比，仿真速度提高了几个数量级。使用GPUTrace 加速LucidShape 照明模拟，可以体验仿真速度的飞跃！

使用LucidShape Visualize Module（可视化模块）可以演示模型中的光源被照亮时的亮度效果，并描绘系统几何体和光源之间的所有交互。然后，设计人员可以评估人眼如何感知转向信号灯和刹车灯等照明系统。

LucidShape Visualize Module 是一种快速、可靠的工程工具，使设计人员能够在产品开发过程中尽早执行设计检查并进行改进。

LucidShape SmartStart 库包含了多种汽车照明系统设计中常用的材料和媒体库，可以在研发过程中大幅节省时间并降低成本。材料库中包括折射率和吸收数据以及预定义的体积散射和BSDF 材料。

LucidShape的附加功能有：

·      使用 LucidCOM 与 Microsoft COM 接口，这使用户可以开发自定义解决方案以自动执行任务并利用其他支持COM 的工具，例如CATIA

·      使用LucidShell通过类似 C/C++ 的语言编写的脚本程序执行各种设计任务

·      访问LucidObject库，该库包含一组丰富的不同对象类型，用于定义几何、材料、媒体、运动、模拟、任务、行为、交互和实用程序操作

·      识别对亮度图像的个体贡献的几何原点和光线历史

·      对于 Monte Carlo 光线追踪模拟，设置一个固定的随机种子，这会停用光线创建和交互的随机化

·      使用 MacroFocal 功能设计多面反射器

·      像素灯功能支持高分辨率、动态像素灯头灯的高效设计和模拟

·      LucidShape 人眼视觉图像 (HEVI) 功能已得到扩展，使设计人员能够更灵活地控制图像亮度、对比度和色偏

基于LucidShape CAA V5 的汽车照明解决方案，是一种交互式工具，允许设计人员在CATIA V5 环境中对汽车照明产品进行光学模拟和分析。由于该工具完全集成在CATIA V5 中，熟悉CATIA 的设计师可以轻松利用LucidShape 的强大功能，以最短的学习曲线生产满足性能、造型、视觉品牌和法规要求的汽车照明产品。

关键能力包括：

·      使 CATIA V5 用户能够利用强大的 LucidShape 功能来生成满足性能、造型、视觉品牌和法规要求的汽车照明设计

·      允许用户使用 CATIA 生成的几何图形，或从 LucidShape 导入几何图形

·      支持对汽车照明零件级模型和产品级装配进行快速、准确的仿真，提供最全面的基于CATIA 的光学仿真

·      提供一整套光学分析工具

·      提供项目组件的分层显示，以便轻松导航高度复杂的模型

·      光导设计模块有助于自动构建、分析和优化光管及其提取功能，以提高光输出

【微观材料光学】

除了宏观光学的解决方案，达索系统BIOVIA品牌Material Studio解决方案在材料微观的光学属性建模和仿真方面有广泛的应用。

比如三星在研究PHOLED材料时，对热稳定的2,3-二苯基苯并噻吩的主体材料、三亚苯基衍生物作为主体材料的研究。

又比如利用Materials Studio CASTEP对介电损耗因子、SELF、VELF 介电常数、介电弛豫时间、复光导率和电子极化率以及许多其他与这些问题有关的光学和光电参数的计算。

达索系统SIMULIA CST是三维电磁场仿真软件。CST Studio Suite是面向3D电磁、电路、温度和结构应力设计工程师的一款全面、精确、集成度极高的专业仿真软件包。

SIMULIA CST包含八个工作室子软件，集成在同一用户界面内，为用户提供完整的系统级和部件级的数值仿真优化。软件覆盖整个电磁频段，提供完备的时域和频域全波电磁算法和高频算法。

SIMULIA CST的典型应用包含电磁兼容、天线/RCS、高速互连SI/EMI/PI/眼图、手机、核磁共振、电真空管、粒子加速器、高功率微波、非线性光学、电气、场路、电磁-温度及温度-形变等各类协同仿真。

对于许多光学应用，需要具有各向异性或非线性特性的材料，例如双折射和二色性。对于特殊光学材料在集成元件中的应用，使用CST Studio Suite进行的直接数值模拟有助于理解潜在机制并展示简化理论无法预测的副作用。

这种材料在正交偏振态下表现出不同的折射率和衰减。它们用于改变光的偏振状态，例如，在偏振器或偏振转换器中。偏振相关材料特性的一个特例是磁光活性。磁光活性材料也可用于改变偏振状态，但更重要的是，它们可用于构建非互易元件，如隔离器。

此外，光学性质不仅取决于偏振状态，而且还取决于光波的电场振幅。光学性质可能取决于电场的第二、第三甚至更高的功率。在这里，效果和应用是巨大的——放大、变频和全光开关。

【光学几何造型】

作为广泛应用的3D几何建模内核ACIS、适用于开发高性能应用程序的图形引擎HOOPS Visualize以及AGM应用，也应用在众多与3D设计有关的光学设计和仿真工具中。

以Zemax为例，在其主要应用中就使用了ACIS、HOOPS Visualize和Spatial AGM作为几何引擎。

ZEMAX是美国Focus Software Inc.所发展出的一套综合性的光学设计仿真软件，是将实际光学系统的设计概念，优化，分析，公差以及报表集成在一起的一套综合性的光学设计仿真软件。可做光学组件设计与照明系统的照度分析，也可建立反射，折射，绕射等光学模型，并结合优化，公差等分析功能。

ZEMAX能够模拟连续和非连续成像系统及非成像系统。

达索系统的Spatial 3D ACIS Modeler服务于全球领先工业3D 软件应用程序的成熟解决方案。30多年来，3D ACIS Modeler 引领着3D 建模内核市场，在数十年的工业化过程中，为数百万用户提供了改进和增强功能。Spatial 持续与ACIS客户合作开发解决方案，以应对核心行业挑战并扩大其领导力。

基于ACIS 的应用程序利用公认的建模操作质量（例如布尔运算），这是Spatial 与设计、分析、制造和测量行业领导者30 多年合作的直接结果。

得益于3DEXPERIENCE和CGM 生态系统创新，通过集成CAD 互操作性、可视化、网格划分、多面体建模、约束建模和隐藏线消除等附加技术，可扩展应用程序的范围。

达索系统Spatial HOOPS Visualize 是一款专用图形引擎，旨在满足工程应用程序中的可视化需求。例如，不同于游戏产业，工程需要显示所有细节，一般不允许细节被纹理遮盖。这就需要利用HOOPS Visualize 来确保成功满足工程需求。

通过高度调优的OpenGL 和DirectX 驱动程序，充分利用GPU。利用HOOPS Visualize 产生高帧率、快速数据导入、快速选择和高亮显示，同时还能够编辑粒度级别的场景，而不会影响性能。

达索系统的Spatial应用程序图形管理器(AGM) 可提供许多功能层，包括用户界面框架、几何体撤消/重做特性、渲染引擎以及这之间的一切功能，并能够与所有其他Spatial SDK 紧密集成。

AGM 已被不同行业的40 多个组织采用，如Computer Aided Engineering (CAE)、Robotics、Metrology、Computer Aided Design (CAD) 等。

AGM 开发人员可直接访问3D ACIS Modeler、CGM Modeler、3D InterOp 和HOOPS Visualize API。可自由定制AGM，以满足特定应用程序工作流的需求。

使用AGM 可向开发人员提供一个用于3D 工程应用程序开发的成熟解决方案。有了AGM，就可以大幅降低与开发3D 应用程序相关的风险，因为开发从一开始就需要大量的时间和资源。

（本文在这里结束）