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。

关注我们，获取更多仿真知识和前沿科技资讯

01

产品开发需要光学仿真

随着科技的不断发展，消费者对于电子产品的要求也越来越高。

在电子产品中，灯光除了起到传统的指示作用，也逐渐成为颜值担当—均匀的光效，舒适的亮度，多变的色彩，酷炫的光流动...好的灯光设计能够显著提升氛围感和产品的档次，兼具功能性和美观性。

因此，在产品开发过程中，光学仿真技术的应用成为了一种非常重要的手段，可以帮助设计师实现最优化的设计并提高产品的研发效率和质量。

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-https://www.jabra.com)

Jabra作为一家致力于打造高品质通讯和音频设备的公司，对产品的用户体验，包括声学、质量、工业设计、稳定性都有极为苛刻的要求。其中对产品氛围灯的亮度、色度、饱和度、可视角度等都有严格的要求和标准。本文以Jabra Speak 2 75 为例，简要介绍利用Ansys Speos软件进行光学仿真在产品开发中的应用。

02 2

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

03

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

04

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Ansys Speos进行问题重点仿真分析，例如通过Ansys Speos中的Light Expert 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

05

开关灯动画效果

此外，还可以把开光灯的动画效果通过模拟直观的展现出来，参见以下视频，在Ansys Speos中模拟了几种不用使用场景下的灯光效果变化：

尽管有人会问，在电子产品的灯光设计中，运用光学仿真，是不是有些“大材小用”了？对此，我们的答案是，对于打磨一款优秀的产品来说，为了实现良好的用户体验，下的功夫都是值得的。一个好的光学设计能够为产品增添不少亮点，而合理运用光学仿真，能够高效的预测产品的视觉效果，为产品的顺利量产保驾护航，让我们的产品做到才华与颜值兼备。

供稿 | 高若晗

编辑 | 林   丽

特别鸣谢 | 许钰锹 高上地