在塑料行业中，光学仿真虚拟样件具有重要意义。通过虚拟样件技术，工程师可以在数字环境中精确模拟塑料光学元件的行为，优化设计并减少试错次数，从而提升设计效率和精度。
这种方法不仅降低了物理样品的需求，节省了材料和制造成本，还缩短了开发周期，加快了产品上市速度。
此外，光学仿真能预测并修正潜在的光学缺陷，确保产品的高质量和一致性。通过减少资源消耗和废物产生，虚拟样件技术也有助于降低环境影响，促进可持续发展。因此，光学仿真虚拟样件在提升产品性能、降低成本、加快开发进度和环保方面具有不可替代的重要作用。
基于我们上次讨论的Eclat digital 虚拟样件光学仿真技术的方法论（车漆的精细光学仿真），我们可以完整的、准确的测量塑料材质的多重光学材质，并进行特征化，并且可以生成材质文件直接在OCEAN光学软件中进行光学仿真。
对于塑料材质，常规的做法是关注其颜色特征，当然这是最基础最重要的特征，但是单独颜色这一个因素并不足以完整的表征材质的具体属性，更无法进行后续光学仿真以实现虚拟打样仿真。
因此我们要做的只有一件事情：完整测试材质的多重光学属性、精确的在OCEAN中复现这些特征进而进行后续的虚拟样件仿真。
1.技术背景
ECLAT DIGITAL 公司简介:
Eclat Digital 公司总部位于法国，是材料数字特征化的顶尖专家团队。具备完整的材质测试能力，并开发了一款尖端的光学仿真软件OCEAN。
Eclat Digital 公司的核心技术是材质的精确测试技术和高精度的光学仿真软件-OCEAN。这是我们今天讨论的基础。
2.塑料材质的测量
对于塑料材质，在不同的领域，从不同的维度而言，有不同的测试设备及关键参数。
在CGI渲染中，通常使用RGB值表征颜色，且一般不会实测颜色，常受限于操作者的经验，因此渲染图种类繁多，效果各异，并不具备光学精度，无法指导工程设计。CGI渲染的结果是“美好的想象结果”。
在传统光学仿真领域中，会使用更高精度的BSDF数据来定义材质“颜色”。
BSDF（Bidirectional Scattering Distribution Function，双向散射分布函数）是一种描述材料表面如何散射入射光的数学模型。BSDF综合了BRDF（Bidirectional Reflectance Distribution Function，双向反射分布函数）和BTDF（Bidirectional Transmittance Distribution Function，双向透射分布函数），用于全面描述光在材料表面的反射和透射行为。
从定义式可以发现，这是一个统一的材质特性，只能表征塑料材质的空间的颜色分布。
对于常规的光学系统模拟而言，BSDF能反应出基本的材质属性，对于分析光学路径传输系统，精度能满足基本需求，因此被广泛应用在光学仿真中。
但是在虚拟样件光学仿真中，只有BSDF数据，就不足以表征完整材质特性了。
原因很简单：虚拟样件光学仿真关注的材质的真实“外观”。我们需要测试并定义的是表面的真实“样貌”，而BSDF的数据实则是表征的是“材料表面形貌导致的光线散射分布”。这是两个维度上的数据。举个简单的例子：塑料材质表面有磨砂，磨砂效果会导致光线表面发生散射。在传统光学软件中，直接使用表面的散射分布即BSDF来定义表面属性，从而忽略了其材质表面样貌。
在虚拟样件光学仿真中，则会更加完整的复现其表面形貌，从更多的维度来定义表面属性，比如：粗糙度、纹理、光泽度、表面粒子、及其它特殊表面工艺。这一切因素综合的结果就是”BSDF”。
二者之差异
材质测量方法
如果我们仔细观察物体的颜色成分，我们可以区分两种行为。首先是在体积中，物体的化学成分将调节光的吸收、散射和折射。这些效果的重要性将取决于物体的形状和厚度。其次，物体的物理状态、表面特性、粗糙度和其他特性（薄膜、涂层）也会影响感知的颜色。
许多透明/半透明材料的外观可以用三个参数来描述：
– 折射率与该材料中的光速直接相关。虽然折射会对光散射（众所周知的光通过棱镜的色散）产生影响，但它也会直接影响表面的反射率。例如，玻璃的折射率约为 1.5，金刚石的折射率约为 2.4，因此，金刚石比玻璃反射更多的光。
– 材料的吸收定义了其吸收部分光谱同时允许部分光谱通过的特性。光谱中未被吸收的部分给出了材料的感知颜色。此外，这种影响取决于所考虑材料的厚度。例如，吸收了除红色以外的大部分光谱，因此它经常会像一整杯葡萄酒一样呈现暗红色。但是当玻璃杯是空的，只剩下几滴时，它会显得相当浅红色甚至粉红色。
– 材料的扩散对应于材料的特性，以重新扩散其接收的光。扩散感知到的颜色将与扩散光谱相对应。例如，与吸收相比，牛奶会扩散大量光线，因此它对我们来说看起来是白色的。作为吸收，材料越厚，效果越强。但散射通常与吸收混合在一起。我们不会在这里详细介绍，例如扩散的潜在各向异性。
这三个物理参数相互作用，给出了物体的最终外观。因此，必须精确地捕捉和表征这些效应。
对于不透明的塑料材质与车漆测试方法一致：
为了捕捉产品特性，可以考虑使用多种测量设备：
1. 多角度分光光度计：用于测量颜色和光泽
2. 共聚焦显微镜：用于测量表面粗糙度
3. 专业纹理扫描仪：用于捕捉纹理
4. OCEAN专用设备：用于测量特殊效果，如闪烁粒子效果
详见：车漆的精细光学仿真
更多材质测试细节见：数字世界中的材质
对于半透明材质，则须使用专门的设备，测试其折射率、吸收系数定义其体属性。对于带有扩散粒子的材质，则需再测试其体散射参数。
某半透明塑料材质的光学属性
不同厚度的、带有扩散粒子的材质光学仿真
光学属性的简单分类
不同体散射属性的外观
3.OCEAN光学仿真
什么是OCEAN软件？
OCEAN是一款尖端的光学仿真软件，可以高精度的复现材质外观，并支持进行光学参数分析的光学仿真软件。
借助于OCEAN，可以将测试的材质数据应用于任意的CAD结构数据中，进行精确的产品光学仿真，模拟出准确的虚拟图像，进而评价产品的外观和光学性能。其工作流如下：
OCEAN workflow
4.虚拟样机光学仿真的应用
4.1 样板材质验证，仿真复杂结构。通过测试材质样板获取材质数据，可以应用于复杂的产品结构进行产品的“虚拟打样”，进而提高迭代速度，降本增效。
仿真结果验证方式：
样板置于灯箱中，使用光色度计，调整至相同视角，对比相同位置光色度信息。
一种简单的结构，可以看出各个角度下的材质外观。
样板验证没有问题的话，就可以开始“虚拟打样”了。将这种材质应用于设计好的CAD结构中进行光学仿真，评价外观效果，进行快速迭代。
半透明材料样板验证
虚拟样机光学仿真
体散射材料：左侧为拍照照片，右侧为OCEAN模拟结果
更复杂的虚拟样件，比如带有纹理和镀膜的产品：
OCEAN仿真的虚拟样件
4.2 双层材质外观预测-双色注塑
可以使用OCEAN，准确预测双色材料不同厚度的外观，找到最佳的选择，而无需任何实际打样过程！
最终模拟真实场景的中的产品外观
4.3建立塑料数字材质数据库，方便客户在线获取材质，进行快速选型。
比如：
以下是OCEAN的仿真结果：
OCEAN是一个通用光学仿真，各个领域都可以使用。
4.54更进阶，使用OCEAN配合新材料创新研发
OCEAN可以完整实现基于样板材质的虚拟样机仿真。
更进一步，在塑料行业中，OCEAN甚至可以成为塑料行业新材料研发工具链的一环。Eclat digital致力于推进虚拟样机技术的发展，对于不同企业的产品开发流程，可以提供定制化的技术服务，配合客户搭建塑料配方与光学仿真的桥梁。从而赋予客户全流程产品可视化的正向研发流程能力。赋予材料创新新的活力。这正是我们的强项。
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