Jul. 03, 2024

Ansys光學軟體與優化軟體optiSLang應用於車用光學設計

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目前車用市場蓬勃發展，車用顯示器、車燈、車用雷達等車用部件的市場需求不斷提升。為了提供更可靠的汽車電子產品設計，同時也須滿足使用者對車用部件更高規格的要求，如何更快地提供可靠的報告與模型規格報告一直是設計者在乎的問題。因此，針對車用光學設計，Ansys提供了可靠的光學模擬軟體與完善的車用光學模擬工作流程，使設計者們能夠利用這些解決方案更快速地設計下一世代光學模組。

Ansys光學軟體產品包括Lumerical、Zemax OpticStudio、Speos：

Ansys Lumerical是一款針對微觀尺度的模擬軟體，用於對奈米與微米結構進行光學求解。

Ansys Zemax OpticStudio是進行成像光學、照明以及雷射系統設計時的企業標竿軟體。

Ansys Speos從光度學、色度學、人眼視覺、虛擬樣機以及路面評價等方面進行模擬分析，並且通過CIE標準認證，內嵌ISO和CIE國際標準，更可靠地分析光學問題。

Ansys Lumerical、Zemax OpticStudio和Speos搭建了一系列車用光學解決方案（涵蓋屏幕顯示器、倒車顯影、車用燈具等），以滿足車用光學設計者能夠快速地利用Ansys光學與光子學軟體進行光學分析和報告。

圖一

車用抬頭顯示器（HUD）

針對車用抬頭顯示器(HUD)，Ansys光學軟體提供一系列解決方案。抬頭顯示器（HUD）是一款結合平面顯示器來反射顯示資訊的車用顯示器，讓使用者可以直視前方就能同步獲取行車資訊。

圖二

設計車用的抬頭顯示器（HUD），需要考慮接收抬頭顯示器資訊的透明顯示薄膜層。

利用Ansys Lumerical來進行有限元素法分析，對光子投射在顯示層上針對三原色（紅、綠、藍）波長不同偏振下的光學現象進行建模，構建接收平面。

利用Ansys Zemax OpticStudio分析入射光由多平面反射至擋風玻璃所產生的重影，並解決多種物理產生的光學問題，例如反射鏡角度、材質、塗層和位置等。

Ansys Lumerical設計的顯示層

Ansys Zemax OpticStudio分析太陽下的熱點

Ansys Speos搭建巨觀尺度模擬環境

使用Ansys Speos模擬，光學設計者可以預測太陽的反射、雨天狀況如何影響不同情境中的HUD顯示清晰度。

圖五

從模組設計到實現場景分析，一系列的光學模擬報告能考慮各種情況下可能產生的不良狀況，進而改善光學模組，提升可靠度與效能。

圖六

停車輔助

車用安全性上，車用設計一直是謹慎且重視的。在Ansys Speos中停車輔助須架構攝像監視系統（CMS）來進行分析。該分析需考慮鏡頭設計、熱機熱耦合、環境眩光分析等。因此，針對停車輔助，Ansys提供完善的解決方案，設計者可以利用Ansys Zemax搭建廣角光學系統，以及利用Ansys Speos將設計好的鏡頭模組導入場景進行投影分析。

圖八

從光學鏡頭的設計與熱成像的問題出發，Ansys Zemax OpticStudio提供設計者快速且可靠的鏡頭組設計，並且導入至Ansys Speos中考慮人眼視覺的環境分析以及不同的太陽光照射的視覺反應。同時進行光學法規的確認，進一步確認光學系統的完整性與可靠性。

圖八

Ansys Speos 作為一款可依據人眼視覺特徵和物體真實物理屬性進行現實場景模擬的專業軟體，從提供使用者更好的車用內視視覺角度來架構車內光學系統，分析燈飾與不同環境的光學反應，並更進一步的提升視覺品味。

圖九

現今的模組化設計與參數化優化是設計者關心的議題，Ansys提供Ansys optiSLang流程集成與設計優化軟體，將Ansys optiSLang與不同的Ansys模擬軟體（如Ansys Lumerical、Speos、Zemax、HFSS等）進行連接。透過圖形化模組的使用者介面提供簡易理解的圖表與控制面板，來建構優化模型並進行粒子群演算法。同時，能在Ansys的Workbench中進行系統整合，更方便進行多物理場優化，以尋找更完善的參數進行設計。

圖十

Ansys optiSLang致力於提供更高品質的設計，主要透過建立更可靠的模擬模型，並考慮設計參數的變化，每次參數迭代都進行演算法計算以執行最佳化的參數模擬。透過「模型校準」找到與實際量測結果相符的參數條件，並透過「敏感分析」自動化地獲取參數與參數之間的影響。此外，在「品質評估」方面，能更進一步分析產品的可靠性。

在「多方面優化」上，Ansys optiSLang致力於在單一環境中跨領域尋找最佳設計方案，以搜尋最佳解決方案。

圖十一

Ansys optiSLang可用於矽光子晶片中波導的設計。在Ansys Lumerical中，定義模型和基礎參數，針對波導進行參雜載流子的寬度、濃度等參數建立。分析光子波導在電壓下的光譜偏移反應。然後，在Ansys optiSLang中進行優化，以獲得濃度參數、偏移和電極細節的準確值，最終獲得最佳設計結果。