光学设计软件：从纳米级到系统级

如今，从数据中心到自动驾驶汽车，光学设备被用于越来越复杂的应用中。在许多情况下，理想的光学特性需要在波长尺度上操纵光。为了将单个元件和电路集成到更大的系统中，设计师必须能够在纳米和宏观尺度上有效地工作。

例如，发光二极管(led)表面的纳米级结构已被证明可以提高它们的效率。这些光子晶体的折射率在光的波长范围内周期性地变化。为了对这些led阵列进行建模，设计人员需要能够在纳米尺度上执行高度精确的模拟，同时也能够快速有效地模拟许多设备。

设计高精度光学系统

OpticStudio软件被广泛用于分析、优化和公差高精度光学系统。2021年，Ansys公司收购了Zemax，进行平台整合，虽然OpticStudio旨在模拟光与比光波长大得多的结构之间的相互作用，但Ansys提供了一个全面的平台，使用户能够在从纳米到系统级别的不同尺度上工作。

除了OpticStudio软件，该平台还包括Ansys Lumerical和Ansys Speos，前者用于通过求解麦克斯韦方程对光与波长尺度结构的相互作用进行高精度模拟，后者可实现系统级可视化、验证和渲染。

Speos可以将人类的视觉灵敏度和感知作为其模拟功能的一部分，这对于汽车前灯和增强现实(AR)/虚拟现实(VR)耳机等应用至关重要。这使得工程师可以在充分了解人眼如何感知光学系统的情况下设计光学系统，从而减少了在系统推向市场之前必须建造的昂贵物理原型的数量。

利用光学设计工具实现光子集成电路

光子集成电路(PICs)将改变我们计算和传输信息的方式。与电子电路相比，PICs提供了更高的可扩展性和效率，但它们是一种新兴技术，必须开发新的计算工具才能发挥其潜力。

PICs将成为下一代数据中心的关键。人工智能(AI)、5G和高性能计算的兴起正在创造快速增长的数据需求，这反过来又需要指数级增长的功率。在今天的数据中心，信息在光纤电缆和使用铜互连的电子芯片之间传输。随着带宽需求的增加，这些铜链路需要太多的能量，光子/光互连是解决这个问题的必要方案。

可插拔光学器件不仅可实操，并且被许多人视为提高数据中心性能和降低数据中心能耗的解决方案。通过将电子和光子元件集成到单个基板上，共封装光学器件(CPO)可以增加带宽密度并降低功耗。

超透镜与小型化

传统镜头在一定波长范围内提供出色的功能和图像质量。但是由于透镜的曲率决定了光线如何被透镜弯曲，想要使光学设备小型化的设计师发现他们受到传统材料的限制。这引起了人们对超透镜的兴趣，这是一种可以用来操纵光的纳米图案表面。

这些扁平且薄的设备可以将多个镜头的功能组合到一个表面上。这是一个还未成熟的领域，但越来越多的公司对此表现出兴趣。Lumotive就是一个例子，这是一家初创公司，正在开发一种液晶超表面，用于控制用于消费、工业和汽车应用的遥感光束（LiDAR）。

提高效率和用户体验

除了为新兴材料和设备开发工具包外，光学设计软件的开发人员还利用新技术使他们的软件更快、更人性化。

这种方法由Ansys首创，它使用图形处理单元（GPU）和基于云的集群提供高性能功能。例如，Ansys去年表明，与在标准笔记本电脑中央处理器（CPU）上运行相比，在GPU上运行其光学仿真软件可以将仿真时间缩短多达60倍。

光学设计的未来

通过听取客户的反馈，开发人员可以通过预测下一组有利于用户的功能来推动创新。当你在软件行业时，你需要对做一些独特或不同的事情持开放态度——这是该行业尚未考虑过的事情，但将有助于满足他们在生产下一代光学产品方面的需求。

原文：Optical design software: From nano to system scale | Laser Focus World