光子產業(Photonics Industry)在其核心應用領域正快速成長，同時也面臨許多品質和數量的生產壓力。本文將深入探討推動光子領域轉型的多種技術因素。
元件微型化
不論是受到重量或尺寸的限制，光學領域都需要更小型的系統設計。儘管成本始終是其中一項考慮因素，工程師仍仔細在昂貴、複雜的技術與縮小尺寸的諸多好處中進行權衡。
「平面透鏡」的出現便是其中一例。透過客製化光在透鏡表面或內部特殊設計微結構中的傳播方式，複雜的幾何形狀和曲率不再是實現高品質效能的核心要素。平面透鏡並非完全平坦，但確實提供了更多量身定製高效能光學系統的機會，同時縮減尺寸和重量。最新的設計證明了平面透鏡在單一波長下的表現，但在跨越多個波長範圍時，平面透鏡仍不如傳統透鏡有效。不過，光子產業將一如既往地持續創新。
工程師在光學領域不斷努力實現微型化，而隨著工程師逐漸理解如何處理和製造小尺寸元件，將有更多的微型元件成為光學產品設計的主流。考慮到企業已經在製造半導體晶片方面使用微影技術，我們將會看到小尺寸元件製造技術逐漸轉化為小型光學元件的製造，一如許多企業已經在晶片上進行光學元件的製造。
擴大規模的渴望
光學在許多新興技術中扮演著核心角色。以汽車中的光達(LiDAR)系統為例，為了讓數百萬套系統上路，汽車不能再搭載龐大昂貴、機械部件容易故障的車頂旋轉裝置。光達必須被整合到車輛中，而積體光子技術將使這種規模化的整合變得更加容易實現，Lumotive和Scantinel等企業正在進行這方面的整合。
光達必須整合於車輛中，而積體光子技術將使這種規模化的整合變得更加容易實現
積體光子技術或前面提到的平面透鏡也可以幫助手機和其他消費性電子設備克服相關限制。手機螢幕的厚度和尺寸與光學和光機械學(Optomechanics)息息相關，但透鏡和透鏡支架增加了體積。未來的設計可能會採用注塑成型的塑料透鏡，具有定製的機械安裝邊緣，在裝配過程中輕鬆卡入位。這種設計特點可以消除對龐大光機械支架和固定器的需求。透過將一些傳統透鏡替換為平面透鏡，這些設計有機會以更小的外形實現消費者所需的高影像品質。
硬體/軟體攜手優化效能
工程師正在使用先進的軟體來微調他們的硬體系統效能。例如，Google Pixel 6相機結合硬體、軟體和機器學習，提供高品質的捕捉和編輯工具，如Google相冊中的Magic Eraser。
設計過程中，工程師需要在不同等級的軟體和硬體之間進行取捨。舉例來說，選擇一般的硬體系統，使用現成的零組件，並專注於性能最佳的軟體系統，可以節省硬體成本，同時達到所期望的結果。然而，更高的運算成本將轉化為更高的電力需求。工程師需要能夠衡量他們決策的結果。
在汽車和醫療保健等具有更多監管和較高錯誤成本的產業中，進行這些取捨更加困難。在這些應用中，AI輔助電腦視覺等技術尚未先進到能夠提供可信賴的結果，因此會更注重透過自動化的工作流程工具，讓傳統的、已記錄的設計過程變得更快、更簡便且更具成本效益。
工作流程變革
為了跟上產業轉型，企業需要改變他們的工作方式。典型的工作流程包括設計、分析、多個公差研究、機械設計、與製造的溝通、製造準備和生產。工程師在設計和模擬中使用多個工具時，往往花費許多時間尋找在工具間準確傳遞資料的方式。該如何使資料模型更加統一，以預防如此效率低下的情況發生？有兩種方式能夠達成此目標，其一為改進工作流程，另一個答案則是制定合理的標準。
然而，如何確保所設計的產品在現實世界的表現與模擬設計一樣出色，仍是工程師需要面對的核心問題。對於模擬供應商來說，這個問題可以轉化為：如何確保工程師對他們的設計具有信心？信心將激發有意義的創新和創造力，我們需要這一點。
對於現代產品的設計，模擬工具必須讓工程師能夠以全面且高效的方式進行多物理建模。工程師需要的工具要能在開放的開發生態系統中協同工作，需要支援客製化和自動化。Ansys藉由多樣的產品組合來應對這些需求，這些產品可以透過內置的腳本和分析自動化工具連接，幫助工程師走過從設計到製造的整個過程。數位模型模擬效能有助工程師在投入製造時間和成本前發現問題。
定義/支援標準 模擬技術推動產業共榮
在某些應用領域，光學產業已經成熟到可以制定標準使規模擴大，但隨著產業快速創新，企業對於失去競爭優勢的擔憂可以理解。建立光學產品開發生態系需要產業間互相合作，沒有其他方式。為了實現這一目標，身為模擬供應商，Ansys正在努力讓企業更容易採納一致的最佳設計實踐。
隨著光子產業的持續成長，工程模擬技術專家應採取鳥瞰的角度，思考以下問題：在促進和支援專有技術的同時，模擬供應商該如何鼓勵協作和創新？
(本文作者為Ansys計畫總監)