随着虚拟现实，AI，自动驾驶技术的兴起，工程领域对光学传感器、显示器，照明组件等相关技术也在不断突破。光学产品的爆发背后，精确光仿真的需求也呈现快速增长。下面我们有限元科技就为你详细的就是光学仿真分析，如果有仿真分析需求，可以咨询我们。

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那么究竟什么是光学仿真？

可能很多工程师想到的就是那些让人听了就晕的公式。其实光学仿真，简单说就是在计算机里“预演”光是怎么跑的。

要知道，之前你要设计一盏路灯。你希望它能把路面照得均匀明亮，但又不想让光线影响行人及车辆。在没有仿真的年代，你得做出实物、装到路边、晚上去测、发现不行再改……这一圈下来，少说一个月，多则好几个月就没了。

而光学仿真，就是用数学和物理模型，在电脑里把这块“虚拟路面”点亮，看看光线到底是怎么分布的：哪里太亮、哪里太暗、哪里产生眩光，一目了然。结果不行，改个参数，改完马上再“测”一次。

目前主流的光学仿真软件，背后跑的都是“几何光学”或者“物理光学”的求解器。它们把光源、透镜、反射镜、接收面统统建模，然后通过光线追迹，最终告诉我们：光去哪儿了？有多强？分布得怎么样？

而在这个过程里，强度、亮度、照度这三个物理量，就像三把尺子，用来回答三个不同的问题。很多人把它们混为一谈，其实它们的区别非常清晰。

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搞清三个基本概念

1. 强度：光源“往某个方向有多用力”

强度描述的是：光源在某个特定方向上，单位立体角内发出的光通量。

单位：坎德拉（cd），或者W/sr。

举个很直观的例子：手电筒。

你把一个手电筒打开，它发出的光并不是四面八方都一样。聚光手电筒把大部分能量集中在正前方的一个小锥角里，所以它的轴向强度很大。同样一个灯泡，如果加个反光碗，强度分布就变了，正前方的强度可能翻好几倍。

记住强度与距离无关。

2. 照度：被照面“被铺了多少光”

照度描述的是：一个接收表面上，单位面积接收到的光通量。

单位：勒克斯（lx=lm/m²），或者W/m²。

这就是我们最直观感受到光源的“亮不亮”。照度与距离强相关。点光源的照度服从平方反比定律：距离加倍，照度只剩1/4。这也是为什么路灯不能架得太高的原因，照度不够了。

照度通常是指入射到表面的光，而不是从表面发出的光。所以我们看到的“地面照度”就是地面接收了多少光。

3. 亮度：人眼“真正看到的感觉”

亮度是最容易被误解、却最贴近“看起来什么样”的那个量。

亮度描述的是：一个发光面或反射面，在某个方向上，单位投影面积、单位立体角内发出（或反射）的光通量。

单位：尼特（nit=cd/m²），或者W/(m²·sr)。

注意这里的两个单位：

单位投影面积：如果表面是倾斜的，你看到的面积实际上是它的投影。

单位立体角：考虑了方向性。

亮度有一个极其重要的特性：在理想情况下（如无吸收、无散射的均匀介质中），沿着一根光线传播的亮度是守恒的。

这也是为什么亮度被称为“光学的温度”，没法通过任何被动光学系统（透镜、反射镜）把亮度变得比光源还高。

这一点对光学设计非常关键。

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它们之间是什么关系？

用一个日常场景把这三个量串起来：当我们拿着一个手电筒，照向一面白墙。

强度：手电筒往墙的方向“发射”了多少光的能力（单位立体角内的光通量）。

照度：墙上被照到的那一小块区域，每平方米接收到了多少光。你会看到墙上有一个亮斑，亮斑中心照度最高，边缘逐渐降低。

亮度：你站在某个角度去看那个亮斑时，眼睛感受到的“刺眼程度”。如果墙是粗糙的漫反射面，你从不同角度看，亮度几乎不变；如果墙是镜面的，那只有特定角度才能看到强烈的反射。

用数学关系可以简单表达：

照度=强度×cosθ/距离²（其中θ是光线入射角，距离是光源到受照面的直线距离）

亮度则与照度之间通过表面的反射或透射特性联系起来：

亮度（漫反射面）≈照度×反射率/π

注意那个π，它来自朗伯余弦定律。这也是很多初学者容易忽略的地方——亮度和照度之间不是简单的“照度越大亮度越大”，还跟表面材质和观察方向有很大关系。

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仿真里怎么用？

在实际的光学仿真中，这三个量各有各的“负责区域”：

强度通常是光源的输出参数。你在软件里设置LED光源，往往需要导入它的配光曲线（也就是强度在不同方向上的分布）。这个曲线决定了光线朝哪里跑。

照度通常是接收面上的结果。比如工程师仿真分析一个路灯，在路面上设置一个虚拟接收面，软件会生成一张照度分布图，告诉你哪块区域照度达标、哪块区域不足。照度是照明设计中最常用的考核指标：国家标准里要求教室照度不低于300lx，停车库不低于50lx，这些说的都是照度。

亮度则是人眼或探测器真正感受到的。在仿真中，亮度通常需要设置一个虚拟亮度计（比如一个特定角度的探测器），去模拟人眼从某个方向看过去的效果。比如汽车仪表的显示屏，设计者关心的是驾驶员看过去的亮度是否均匀、会不会反光。这就要用亮度去评估，而不是照度。

一个很典型的错误是：有些初学者用照度去评价显示屏的视觉效果，觉得“照度均匀了，看起来就均匀了”。其实不然。显示屏是发光面，你看到的是它的亮度分布，而一个发光面的亮度不仅取决于它自身出射的光，还取决于背景环境、观察角度、表面反射率等。照度均匀≠亮度均匀。

这里我们元王再教大家一个记忆小口诀：

• 强度=方向有多猛

• 照度=地面有多亮

• 亮度=眼睛有多晃

  
  

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光学仿真的技术活

光学仿真说到底是一门“量化光”的技术。而强度、亮度、照度，就是我们对光进行量化时最基础的三把尺子。

分不清它们，你看到的仿真结果就是一串串不知所云的数字和花花绿绿的彩图；搞懂了它们，你才能真正读懂光在说什么。

下次做光学仿真分析时，不妨先问问自己：我现在要看的，到底是光源的强度分布，是某个面上的照度，还是最终人眼感知的亮度？答案不同，你设置的探测器、分析的方法、甚至整个仿真的意义都完全不同。