一、目的與意義
随着計(jì)算(suàn)機硬件的發展，特别是個(gè)人(rén)計(jì)算(suàn)機的迅速發展，作(zuò)為(wèi)一種現代化的工具，使其廣泛地應用于各種領域，其中很(hěn)重要的一個(gè)部分就是計(jì)算(suàn)機輔助設計(jì)。計(jì)算(suàn)機輔助設計(jì)技(jì)術(shù)的應用範疇極為(wèi)廣泛，從航天工業的先進載人(rén)工具研發，到顯示器(qì)背光闆注塑成型，都能利用計(jì)算(suàn)機輔助設計(jì)技(jì)術(shù)進行(xíng)分析與設計(jì)。
由于競争的日趨激烈，各企業為(wèi)了提高(gāo)自己的競争力，總是不斷推出新産品。但(dàn)當今新産品的設計(jì)，已經擺脫以往單憑『老師(shī)傅的一雙手』，重複制(zhì)作(zuò)産品原型(prototype)再加以測試的模式，而是以先進的模拟設計(jì)技(jì)術(shù)，配合高(gāo)速計(jì)算(suàn)機計(jì)算(suàn)的能力，迅速驗證新産品的規格與性能，如此才能有(yǒu)效率的進入量産，縮短(duǎn)新産品上(shàng)市的時(shí)間(jiān)。而計(jì)算(suàn)機輔助設計(jì)技(jì)術(shù)已成為(wèi)各高(gāo)科技(jì)産業研發新産品時(shí)的必備流程，通(tōng)過計(jì)算(suàn)機輔助設計(jì)軟件，可(kě)以大(dà)幅度地減少(shǎo)新産品開(kāi)發的周期，進而縮短(duǎn)新産品上(shàng)市的前置時(shí)間(jiān)，降低(dī)研發成本花(huā)費，可(kě)實質地将産業從OEM提升到ODM層次，為(wèi)增加整體(tǐ)市場(chǎng)競争力的絕對關鍵，同時(shí)也大(dà)大(dà)提高(gāo)企業和(hé)人(rén)才的競争力。
光學系統在現代生(shēng)活中的作(zuò)用越來(lái)越重要，也越來(lái)越多(duō)滲透到人(rén)們生(shēng)活的各個(gè)方面。光學設計(jì)則是世界上(shàng)最複雜的計(jì)算(suàn)之一，如果沒有(yǒu)計(jì)算(suàn)機輔助，一個(gè)簡單的光學系統也需要很(hěn)多(duō)人(rén)，花(huā)費很(hěn)多(duō)時(shí)間(jiān)，更不用說複雜的變焦、投影(yǐng)系統了，所以想要不斷有(yǒu)新産品出現，是不可(kě)能的。幸運的是，我們現在擁有(yǒu)了像VirtualLab Fusion、FRED、Essential Macleod、LASCAD、GLAD、 OptiWave、JCMsuite等這樣的優秀光學輔助設計(jì)軟件，在個(gè)人(rén)計(jì)算(suàn)機上(shàng)就可(kě)以進行(xíng)光學系統的設計(jì)和(hé)仿真。
能夠成功運用光學仿真設計(jì)技(jì)術(shù)的關鍵有(yǒu)二：一是專業設計(jì)人(rén)才，二為(wèi)性能優越的仿真軟件。前者設計(jì)工程師(shī)的培養無法速成，但(dàn)仿真設計(jì)的軟件工具的發展，确實已經逐漸成熟，雖然種類與數(shù)量不像一般通(tōng)用軟件，如微軟公司的Office系列産品，而且價格相當昂貴，但(dàn)卻有(yǒu)其絕對之必要性。目前此類的主要商用工具軟件，多(duō)數(shù)由美國、加拿(ná)大(dà)公司所研發，雖然隻有(yǒu)少(shǎo)數(shù)出自德、法、比利時(shí)、荷蘭等歐洲國家(jiā)，但(dàn)歐洲各國的産品與日俱增，正在積極地迎頭趕上(shàng)，足見光學系統在未來(lái)産品及市場(chǎng)競争的重要性。
因為(wèi)任何輔助設計(jì)軟件都不是“傻瓜”型的，所以專業的設計(jì)人(rén)才是必要的，而學校(xiào)則是人(rén)才培養的基地。但(dàn)許多(duō)學校(xiào)因為(wèi)經費或認識不足，都隻是講解設計(jì)理(lǐ)論和(hé)設計(jì)方法，不能讓學生(shēng)真正進行(xíng)設計(jì)實習，或者很(hěn)多(duō)老師(shī)都沒有(yǒu)機會(huì)接觸到正版的輔助設計(jì)軟件，更别說學生(shēng)了。其結果是：學生(shēng)在學校(xiào)裏面不能掌握專業的設計(jì)軟件和(hé)設計(jì)方法，感覺所學的與社會(huì)上(shàng)的需要脫節，畢業後不能滿足業界的需要，又需要從頭學習，削弱了人(rén)才的競争力，增加了學生(shēng)就業的難度。 因此，隻有(yǒu)從現在開(kāi)始，在高(gāo)等學校(xiào)積極推廣成熟實用的CAD設計(jì)軟件，使學生(shēng)在學校(xiào)的學習階段中，就可(kě)以将理(lǐ)論學習和(hé)實驗設計(jì)結合起來(lái)，一則推廣正版軟件的使用，二則可(kě)以讓學生(shēng)在進入社會(huì)以前，就做(zuò)好了充分的準備，接受正規的設計(jì)經驗訓練，其結果必能提升人(rén)才的水(shuǐ)平，進而提升整體(tǐ)産業的層次，加強我們在全球化市場(chǎng)上(shàng)的競争力。
訊技(jì)光電(diàn)科技(jì)（上(shàng)海）有(yǒu)限公司，是中國最專業、曆史最悠久的光學CAD軟件的代理(lǐ)和(hé)服務公司，公司擁有(yǒu)幾十種國際上(shàng)知名光學CAD軟件的獨家(jiā)代理(lǐ)權，緻力于發展中國的光學CAD事業，培養光學CAD人(rén)才。有(yǒu)鑒于以上(shàng)的考量，以“開(kāi)闊學生(shēng)眼界，增強學生(shēng)社會(huì)競争力，推廣光學CAD相關的世界領先技(jì)術(shù)和(hé)設計(jì)理(lǐ)念”為(wèi)宗旨，主要從事光學CAD軟件的推廣、軟件使用培訓、軟件技(jì)術(shù)支持和(hé)産業設計(jì)培訓、新産品設計(jì)方法等的研究。其目的是将大(dà)學的科研成果及科研力量與訊技(jì)公司技(jì)術(shù)開(kāi)發資源和(hé)市場(chǎng)優勢進行(xíng)結合，促進學校(xiào)的學科建設和(hé)人(rén)才隊伍建設，特别是在促進專業光學CAD軟件在國內(nèi)的使用，為(wèi)中國培養更多(duō)更優秀的光學設計(jì)人(rén)才，将最新的設計(jì)理(lǐ)念、設計(jì)方法在中國的推廣方面起到十分重要的作(zuò)用。
聯合實驗室還(hái)将為(wèi)學校(xiào)日常的光學教學活動、相關課題研究、選修課中計(jì)算(suàn)機軟／硬件開(kāi)發工程和(hé)對外進行(xíng)相關培訓等提供輔助設計(jì)軟件與研究條件，為(wèi)建立校(xiào)企聯合創立良好的示範作(zuò)用。『光學CAD聯合實驗室』的成立，為(wèi)産、學、研合作(zuò)探討(tǎo)了新思路，尋求了一個(gè)基于專業大(dà)學實驗室、着眼于長期合作(zuò)、産學、研發一體(tǐ)化的新模式。這一模式的建立為(wèi)國內(nèi)高(gāo)技(jì)術(shù)企業提升核心技(jì)術(shù)競争能力，搶占高(gāo)技(jì)術(shù)制(zhì)高(gāo)點創造了重要條件，同時(shí)其它學校(xiào)提供了新的借鑒模式。聯合實驗室的成立，對合作(zuò)雙方的長遠發展，對推動中國光學CAD教育均具有(yǒu)非常積極的意義。
二、合作(zuò)方式
由國內(nèi)最具指标性之大(dà)學與訊技(jì)公司配合，并透過提供優惠的軟件資源，來(lái)共同建立『光學CAD設計(jì)聯合實驗室』。設立專門(mén)的設計(jì)實習課程，并在學生(shēng)的相關課程中加入光學CAD 軟件介紹和(hé)輔助設計(jì)方法等內(nèi)容。訊技(jì)公司還(hái)将與學校(xiào)攜手，定期舉辦光學CAD 技(jì)術(shù)演講和(hé)討(tǎo)論活動，并幫助大(dà)學為(wèi)學生(shēng)提供實習機會(huì)，同時(shí)也鼓勵開(kāi)發商和(hé)加強與學校(xiào)的交流。
透過聯合實驗室建立“産品認證中心”，也就是類似微軟的MCSE等的認證，并有(yǒu)原廠保證，可(kě)以作(zuò)為(wèi)個(gè)人(rén)的軟件能力認證，提升軟件專業形象。
采取簽約方式進行(xíng)，每一年為(wèi)一期，透過續約的機制(zhì)，持續檢視(shì)過去聯合實驗室的配合及執行(xíng)方式有(yǒu)無缺失，加以進行(xíng)檢討(tǎo)改進，以确保聯合實驗室之成效。
三、合作(zuò)産品介紹
VirtualLab Fusion——統一化光學建模設計(jì)與分析平台
VirtualLab Fusion是德國LightTrans 開(kāi)發的一款新型光學仿真和(hé)設計(jì)軟件，它是一個(gè)統一化光學建模設計(jì)與分析平台，采用場(chǎng)追迹的方式進行(xíng)光學建模。場(chǎng)追迹作(zuò)為(wèi)統一光學系統分析與設計(jì)的一種建模技(jì)術(shù)，超越了光線追迹（Ray tracing），光學系統性能的表征是通(tōng)過求解簡諧波場(chǎng)（Harmonic fields），而不是光線束（Ray bundles）。因此，在對同一個(gè)光學系統，場(chǎng)追迹能利用并提供更多(duō)的光學信息，它理(lǐ)論上(shàng)能把幾何光學到電(diàn)磁學（或物理(lǐ)光學）的各種建模技(jì)術(shù)統一起來(lái)，并且實現多(duō)種模拟技(jì)術(shù)的無縫結合，可(kě)以根據輸入光源和(hé)元件的面型、折射率、介質、膜層，實現自動匹配模拟，可(kě)以完全勝任現代光學系統的數(shù)字模拟仿真工作(zuò)。基于這些(xiē)技(jì)術(shù)，VirtualLab Fusion提供了光學建模中無法超越的靈活性和(hé)效率。
VirtualLab Fusion作(zuò)為(wèi)統一化的光學建模平台，它基于電(diàn)磁場(chǎng)核心理(lǐ)論，用光路流程圖的表示方法進行(xíng)建模，光學系統中用到的光源、元件和(hé)探測器(qì)等可(kě)以在光學元件庫中靈活調用并進行(xíng)光學特性編輯。對光學系統的不同媒質區(qū)域，可(kě)自動選擇傳輸模拟技(jì)術(shù)，用戶也可(kě)以自行(xíng)設置傳輸方式。目前，VirtualLab Fusion兼容了幾何光學、SPW平面波譜算(suàn)法、Fresnel遠場(chǎng)積分、FMM/RCWA算(suàn)法、光束傳播方法、ABCD矩陣傳輸等多(duō)種模拟技(jì)術(shù)，其發展目标是把市場(chǎng)上(shàng)所有(yǒu)的光學建模技(jì)術(shù)都融彙到VirtualLab Fusion的建模技(jì)術(shù)之中。
VirtualLab Fusion軟件包集合了兩個(gè)套裝及六大(dà)工具，包括：VirtualLab Fusion基礎套裝、VirtualLab Fusion高(gāo)級套裝、衍射光學工具金/銀版、波導工具箱金/銀版、激光諧振腔工具箱、光束整形工具箱，鑄就了它的強大(dà)功能。
（1）VirtualLab Fusion基礎套裝
基于光場(chǎng)追迹技(jì)術(shù)，VirtualLab Fusion能夠對各種光源進行(xíng)準确的建模，如相幹光和(hé)部分相幹光、連續光和(hé)脈沖光、單波長和(hé)寬光譜光源等；同時(shí)，其集成了從幾何到物理(lǐ)各種光學建模技(jì)術(shù)，如自由空(kōng)間(jiān)傳輸方法：平面波譜法（SPW）、菲涅爾（Fresnel）、遠場(chǎng)（Far Field）、幾何光學（Geometrical Optics）、瑞利索末菲（Rayleigh Sommerfeld）等，以及光學元件求解算(suàn)法：分步傳輸算(suàn)法（BPM）、薄元近似（TEA）、局部平面波近似（LPIA）等，針對複雜光學系統內(nèi)不同的區(qū)域，自動選擇合适的建模技(jì)術(shù)，以獲得(de)相應的電(diàn)磁場(chǎng)信息，通(tōng)過使用序列和(hé)非序列的方式，以完成整個(gè)系統的仿真和(hé)分析，如激光傳輸系統、幹涉系統、成像系統和(hé)光纖耦合系統等，仿真過程中考慮各種物理(lǐ)光學效應，如偏振、相幹、衍射、矢量和(hé)像差效應等。
基于新的參數(shù)掃描功能，能夠選定系統內(nèi)任意參數(shù)，以進行(xíng)系統敏感度分析，如幹涉圖樣的變化、光場(chǎng)的演化以及聚焦光斑的變化等；同時(shí)，也能夠基于新的參數(shù)優化功能，對設定的目标函數(shù)，如耦合效率、光斑大(dà)小(xiǎo)、發散角等進行(xíng)優化，從而獲得(de)期望的系統參數(shù)。
（2）VirtualLab Fusion高(gāo)級套裝
VirtualLab Fusion高(gāo)級套裝除了包含基礎套裝的全部功能，還(hái)提供了薄元近似（TEA）和(hé)傅裏葉模态法（FMM）兩種求解算(suàn)法，能夠對一維和(hé)二維亞波長光栅進行(xíng)嚴格的電(diàn)磁場(chǎng)分析和(hé)設計(jì)，包含衍射光栅、全息光栅、布拉格光栅、表面光栅、光子晶體(tǐ)、衍射光束分束器(qì)、偏光器(qì)、抗反射結構、衍射光學元件、光伏系統和(hé)光譜光栅。光栅的特征尺寸可(kě)以從納米到毫米量級。同時(shí)可(kě)以計(jì)算(suàn)衍射效率、近場(chǎng)、偏振、反射、透射以及內(nèi)部場(chǎng)。各種定制(zhì)特性可(kě)以使用戶分析和(hé)優化用戶自定義結構的光栅。這些(xiē)包括導入測量的高(gāo)度輪廓以及使用公式描述一個(gè)高(gāo)度輪廓的可(kě)編程高(gāo)度輪廓或者折射率分布介質，并且能夠進行(xíng)公差分析。
（3）VirtualLab Fusion衍射工具箱銀版
衍射光學工具箱銀版是基于叠代傅裏葉變換算(suàn)法，可(kě)以設計(jì)和(hé)優化各類相位型衍射光學元件，如整形器(qì)、分束器(qì)以及擴散器(qì)等，衍射光束分束器(qì)允許将一束激光分成光束陣列。衍射擴散器(qì)能夠使确定的散射光線進入任意2D光圖案。擴散器(qì)和(hé)光束分束器(qì)可(kě)以用來(lái)轉換相幹光和(hé)部分相幹光源。衍射和(hé)折射光束整形可(kě)以将相幹激光光束整成環形、矩形高(gāo)帽、線型或者自定義2D強度分布。并且能夠針對相位衍射元件進行(xíng)結構設計(jì)，導出加工所需的格式，如GDSII、Bitmap以及ASCII、STL等。
（4）VirtualLab Fusion衍射工具箱金版
衍射光學工具箱金版不僅包含衍射工具箱銀版的全部功能，還(hái)可(kě)以對衍射成像透鏡進行(xíng)建模以及進行(xíng)二元高(gāo)度輪廓設計(jì)，可(kě)以進行(xíng)全息光學元件的建模，或者進行(xíng)偏振敏感超透鏡的建模和(hé)分析，以滿足最新的設計(jì)和(hé)仿真需求。
（5）VirtualLab Fusion激光諧振腔工具箱
VirtualLab Fusion激光諧振工具箱允許分析穩态和(hé)非穩态激光諧振腔的本征模。分析包括了基膜、高(gāo)階模和(hé)本征值的計(jì)算(suàn)。依賴于經典場(chǎng)追迹技(jì)術(shù)，可(kě)以将從幾何光學到電(diàn)磁場(chǎng)處理(lǐ)的各種光束傳輸方法最佳的組合起來(lái)。因此允許腔內(nèi)包含微結構和(hé)DOE元件，模拟受激介質的折射率調制(zhì)以及任意形狀的基膜。在VirtualLab Fusion中表面輪廓和(hé)介質以及自定義元件目錄為(wèi)定義諧振腔提供了非常大(dà)的靈活性。公差模拟可(kě)以研究一個(gè)諧振腔的穩定性。
（6）VirtualLab Fusion光束整形工具箱
VirtualLab Fusion光束整形工具箱可(kě)以對LED（或其他大(dà)角度輻射）光源，能夠設計(jì)微結構單元陣列，如光栅單元陣列、棱鏡單元陣列以及反射鏡單元陣列，以實現光束整形和(hé)均勻化。在這個(gè)過程中會(huì)考慮光線的反射、折射及幹涉、部分相幹、色散效應。
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