一、光学设计软件助力产业发展
光学设计软件是利用数值求解几何光学和波动光学的方程来验证光学和电磁波的相关仪器设计效果的软件系统通过高通量的虚拟实验帮助降低设计周期和试错成本，是技术进步产品革新的核心工具光学和电磁波设备在传感、成像、信息存储、信息传输、显示、高性能计算等方面的应用是医疗、汽车、航空、航天、通信、安防、军事等诸多领域的核心技术。
比如以AR、VR和汽车HUD、3D等为代表的新一代显示技术，在元宇宙概念的推动下，将是未来十年重要的产业竞争领域，这其中对于小型化、集成化的光波导和光纤的设计是竞争的核心领域光学设计软件其价值已不单纯在于软件自身的产值，而是在于其为不同产业提供光学技术产品、进而撬动多个产业的巨大产值。
以移动通信领域的天线设计为例：用于收发电磁信号的手机天线从上世纪90年代的外凸式天线到如今隐藏在机身内的内置天线经历了1G、2G、3G、4G、5G的更新换代5G天线极大推动手机智能化，开启移动网络新时代，驱动天线开启产业新篇章。
目前，中国市场5G手机的渗透率已经超过50%据统计，4G手机天线单机需求量在7-8根/部，5G手机天线单机需求量10-15根/部按照手机天线单根价值30-80元、4G手机天线单机价值约6-15元估算，2020年我国手机天线市场规模在57亿元-151亿元。
预计到2026年，我国5G手机出货量将达到4亿部，保守估计5G手机天线市场规模将达到72亿元，我国整体手机天线行业市场规模将达到128亿元左右德国CST公司的三维电磁仿真软件CST微波工作室在手机天线辐射方向图、增益、损耗等辐射特性的优化以及天线尺寸的小型化设计中发挥了重要的支撑作用，极大地推动了移动通信产业的发展。
在3D电磁仿真领域，CST产品占据了全球40%的市场份额，已经占据绝对统治地位尽管CST软件的年营收约为数亿元人民币，但仅仅是其中的微波工作室就能撬动每年百亿元人民币的手机天线产业随着全球智能时代的到来，无人驾驶产业飞速发展，已成为汽车行业新趋势。
到今年年底，我国无人驾驶汽车市场规模将达到100.4亿元人民币，预计2025年前后将迎来规模性产业化契机作为自动驾驶的核心技术，激光雷达已成为大部分主流车厂的首选方案现有的激光雷达产品是将激光器排列成线阵，依赖机械旋转的方式实现多线扫描，不仅体积大、探测速度慢、可靠性差、探测范围小、分辨率低，而且成本非常高。
因此，依赖于光子集成相控阵技术的全固态激光雷达摆脱了机械旋转模式，能够大幅提高探测速度与稳定性，可实现极高的扫描分辨率与较大的扫描范围，一旦形成量产将大幅降低成本，因而全固态激光雷达将成为下一代无人驾驶技术核心技术。
巨大的产业需求，已经引领数千家激光雷达初创公司，预计到2025年车载激光雷达全球市场规模超过60亿美元，如果激光雷达的单价降到250美金，到2030年激光雷达市场空间将超千亿人民币在固态激光雷达产品的研发中，必然离不开Lumerical 公司的光学仿真软件FDTD Solutions对微纳光天线单元辐射特性的仿真优化，以及光天线阵列波束赋性的规律研究与优化设计。
二、光学仿真软件国内外现状
1. 国外光学设计软件发展现状目前主流光学设计软件均被欧美等国家垄断，经过长期的发展，不断更新换代，技术已经趋于成熟，软件产品的系统性较强，与Matlab、AutoCAD等通用性软件实现了很好的数据互通与功能互联，形成了产品开发、应用、售后培训等完备的产业链，始终保持垄断性态势。
不同光学领域的代表性主流光学设计软件如下：几何光学设计涉及光学镜头、各类光学成像系统、光纤照明系统主流几何光学设计软件有美国Radiant Zemax公司的Zemax、美国Synopsys公司的CODE V、美国ORA公司的Light Tools等。
其中，CODE V软件于1975年问世，经过近半个世纪的发展，已经具备强大的光学系统优化设计能力，不仅能够提供典型的初始光学系统结构，还可以分析优化设计各种复杂光学系统Zemax的用户群体涵盖了我国各大高校师生、研究所科研人员以及企业工程师等，该软件可高效模拟评估几何光学系统的成像、照明性能，以及一些简单的波动光学仿真。
波动光学设计涉及光纤、光波导、微纳光学器件的电磁调控与导波特性研究以及电磁场全波仿真代表性波动光学设计软件有德国CST公司的CST工作室套装、美国ANSYS公司的Ansys HFSS、Ansys Lumerical FDTD、瑞典COMSOL公司的COMSOL Multiphysics、加拿大国家实验室开发的Optiwave系列软件、美国RSOFT设计集团公司的RSOFT软件等，已经成为我国科研人员与高校师生从事科学研究与技术研发的依赖性工具。
2. 我国光学设计软件发展现状我国高校与研究所也开展了具有自主知识产权的光学设计软件研发工作，但尚未进行有效的推广应用，未能形成稳定的市场份额早在上世纪90年代，北京理工大学光电工程系王涌天教授研发了针对几何光学的GOLD软件包，能够对各种非对称、复杂光学系统进行结构优化和像质分析。
同期，西安应用光学研究所开发了OCAD光学设计软件包，除了具备各种光学系统计算与评价功能外，还可以动画形式进行各类变焦光学系统的综合计算、评价以及全自动光学绘图演示等中国科学院软件研究所研发了See系列光学仿真软件，包括光学系统优化设计软件SeeOD、图形化光学仿真软件平台SeeLight，涵盖了光源库、光束传输库、器件库、探测器库、目标库、控制库及辅助库等七大类，能够应用于几何光学、大气光学、信息光学、激光光学、晶体光学等。
国防科技大学与中国科学院软件研究所联合研发了用于光纤激光器设计的SeeFiberLaser软件，能够对放大自发辐射（ASE）、受激拉曼散射（SRS）、受激布里渊散射（SBS）、四波混频（FWM）等非线性效应进行仿真。
我国软件企业逐步开始光学设计软件研发上海东峻信息科技有限公司推出了一款基于FDTD与近似物理光学算法的电磁仿真软件Eastwave，能够对天线、天线阵列设计优化、天线罩、吸波体、光栅、波导以及超材料等光学器件进行优化设计。
3. 竞争态势分析国外光学设计软件已经占据了大量的市场份额，国内光学设计软件几乎没有市场经过多年的发展，美国的软件公司不断并购、收购各种仿真特点的光学设计软件，试图建立一个涵盖几何光学、波动光学、非线性光学等全方位的光学设计软件体系。
比如美国ANSYS公司致力于工程仿真软件和技术的研发，先后收购了在流体仿真邻域处于领导地位的Fluent公司、研发HFSS电磁仿真软件的Ansoft公司，以及加拿大Lumerical公司，将该公司推出的FDTD Solutions、MODE、DEVICE等一系列电磁仿真软件添加至Ansys多物理场产品组合中，为客户提供涵盖结构分析、流体动力学、电子设计、电磁仿真等领域的全套的解决方案，通过对光学设计软件集成化、系统化、全功能拓展，其市场竞争力得到了显著提升。
下表列举了主流光学设计软件的功能及其在众多产业发展中的重要作用软件国家功能应用产业Comsol瑞典基于有限元法进行多物理场耦合分析太阳能电池、微波器件、超材料Rsoft美国光波导仿真；光电子器件模拟光纤、波导光栅等光学器件、
Zemax美国基于光线追迹方法模拟折射、反射、衍射、偏振的序列与非序列光学系统设计软件相机镜头、望远镜、显微镜、照明系统FDTD Solutions美国基于矢量3维麦克斯维方程求解，能够对光学材料、光纤、光波导进行的仿真与优化设计。
太阳能电池、光电检测系统、激光雷达、无人驾驶、增强现实与虚拟现实，汽车抬头显示Optiwave加拿大光纤、光栅、光波导、光放大器、光通信系统设计光通讯产业Code V美国分析优化各种非对称非常规复杂光学系统
AR/VR设备、HUD、手机光学系统Light Tools美国分析设计光学系统照明系统、AR/VR设备、HUD、手机光学系统CST Microwave Studio德国集时域、频域算法为一体，用于整个电磁波和光波波段的电磁及电磁兼容仿真。
5G\6G通信终端、微波、光学无源器件、隐身衣、天线罩、雷达等三、我国光学设计软件面临的现状与国家重大需求近年来，我国各行各业飞速发展，为了防止中国成为世界强国，美国从2018年挑起了中美贸易战，对中国商品加征关税的同时，还对华为、中兴、大疆等中国企业发起制裁，禁止对华出口高端芯片、禁止荷兰阿斯麦公司向我国提供高端光刻机，对我国的芯片产业影响巨大。
不仅如此，美国对北京航空航天大学、哈尔滨工业大学、国防科技大学、西安交通大学等多所高校也发起了制裁，2020年6月，我国13所高校的Matlab软件被禁用，给我国研究人员及高校师生带来巨大影响技术封锁之所以对我国某个行业的发展产生巨大的影响，根本原因是我国没有自主知识产权的成熟技术与产品。
我国在光学设计领域也面临着同样的问题目前，我国光学设计软件依然依赖国外产品，研究院所与高校采购国外光学设计软件，是我国科研经费占比巨大的一项支出，造成科研经费的“浪费”；企业采购国外光学设计软件，面向AR、VR、太阳能电池等新兴产业，采用国外光学设计软件进行产品设计，后续存在巨大产业风险，一旦被限制使用，将失去产品出口合法性与国际知识产权。
小的公司成长受到设计软件瓶颈制约，不能把光学设计能力作为企业的核心竞争力只有用自主软件设计出的产品，才是真正的自主产品面向科学研究与技术研发的专用科学计算与工业仿真设计的光学设计软件是我国科技产业重大缺失与迫切急需。
相关技术与产品长期依赖国外技术，受制于垄断与封锁目前急需发展完全自主知识产权的光学设计软件四、关于光学设计软件的创新创业思考
1. 光学设计软件发展的行业特点计算芯片、先进算法以及制造业的新需求三大方面是驱动光学设计软件发展的源动力光学仪器的是光、机、电、算四大元素（光学、机械、电子和算法）相结合的复杂系统，因而国际上著名的光学设计类软件逐渐被并购形成多物理场的计算软件平台。
一体化平台体现三方面优势：1实现光、机、电、算系统的综合设计；2多物理场的集成平台将核心的算法形成通用的计算引擎，不同的模块都可以调用，在软件的经销、维护已经算法升级上都可以降低成本，并提高可靠性2. 自主知识产权光学设计软件发展的困难
与现有成熟的国外光学设计软件产品相比，我国的光学设计软件无论从涵盖的功能范围、界面交互性、软件功能的优化迭代、还是售后与维护等方面均存在着巨大差距，没能够与相关产业形成完备的从设计到制造的光学产业体系这种现状导致国产设计软件没有根据计算硬件和算法的进步而升级的需求，也参与不到与新制造行业相适应的迭代升级中。
静态的软件是没有市场竞争力的从现状来看仅仅依靠市场竞争，推动光学工程软件成长不现实，需要从（1）政府或大型机构的先期投入，（2）用户和市场的培养，（3）大学和研究机构在教育层面的支持几个方面共同努力来实现国产工程设计软件的崛起。
3. 行业发展模式的转变将工程软件分成通用的物理计算引擎和面向行业应用的设计平台两个层面由国家或者大型机构出资在物理计算引擎方面进行先期投入，跟超级计算中心的硬件一样将物理计算引擎也作为一种基础设施进行建设。
这些通用引擎的性能是非常容易量化的，因而软件的迭代升级可以由政府出资以锦标竞赛的形式，将研发费用以奖金的形式发放给达到既有目标的企业、研究机构甚至个人从国家科研经费的先期资助改革为后期资助，避免了项目评选中“唯论文”和“唯帽子”等问题。
英雄不问出处，唯性能的提升投入资金，推动新技术的不断升级在面向行业应用的层面上，研发企业则可以免费调用国家资助建设的引擎库来搭建工程软件，免去基础计算引擎的开发投入，从而企业可以将核心的竞争力专注在与产业的深度对接和UI的提升上，降低行业的准入门槛，是小型创新企业或者长期在产业深耕的硬件企业可以投入到设计软件的开发中。
4. 人工智能替代传统算法：光学设计软件弯道超车、跨越式发展的契机从物理计算的引擎研发方面，在基于传统算法光学设计软件领域很难追赶欧美成熟产品人工智能替代传统算法（如基于物理知识的机器学习PINNS等技术）成为当前多个领域工业设计软件的发展趋势，抓住人工智能算法升级的技术革命，为我国完全自主知识产权光学设计软件实现弯道超车、跨越式发展提供了契机。
抓住光学设计软件从传统数值方法向人工智能内核升级的技术革命契机，与欧美在同一起跑线快速启动，全力以赴，有望实现我国完全自主知识产权光学设计软件弯道超车实现与跨越式发展国家应当给予政策引导支持、科学研究支持与产业布局牵引，推动在新一代智能光学设计软件技术发展历程中建立我国的技术优势与产业自主。
作者：梁生、贺敬文，张兴华
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