FRED光學工程仿真軟件

FRED是一套由美國Photon Engineering公司所開(kāi)發出的光學工程仿真軟件。
 

作(zuò)為(wèi)光機一體(tǐ)化的開(kāi)發平台，可(kě)以用在光學設計(jì)過程中的每一個(gè)環節，包括最初的概念驗證，整合光學設計(jì)和(hé)機械設計(jì)，對虛拟原型進行(xíng)全面分析，對模型參數(shù)進行(xíng)快速公差分析和(hé)優化，以及将供應商的目錄集成到軟件中以供加工和(hé)系統調試。它的顯示窗口為(wèi)3D實體(tǐ)顯示工作(zuò)平台，具備快速的光線追迹功能，并且可(kě)以同時(shí)允許63核CPU進行(xíng)多(duō)線程運算(suàn)及支持多(duō)節點分布式計(jì)算(suàn)。
 

FRED共有(yǒu)三個(gè)版本：FRED Standard擁有(yǒu)軟件基本功能；FRED Optimum除了有(yǒu)Standard版本所有(yǒu)功能外，還(hái)具備優化功能和(hé)分布式計(jì)算(suàn)的功能，計(jì)算(suàn)速度更快；FRED MPC除了有(yǒu)Optimum版本所有(yǒu)的功能外，還(hái)能利用GPU進行(xíng)計(jì)算(suàn)，其計(jì)算(suàn)速度是其他兩個(gè)版本的100倍！

 

應用領域 

FRED 運用的領域非常廣泛，隻要是幾何光學可(kě)分析的系統皆可(kě)使用 FRED 來(lái)分析、模拟。常見的應用領域為(wèi)：照明(míng)系統、導光管、投影(yǐng)系統、激光、幹涉、雜散光、鬼影(yǐng)分析、生(shēng)物醫(yī)學、其它光學系統原型之系統設計(jì)等等，無論是簡易或是複雜的成像與非成像系統結構，FRED都可(kě)以準确的建構及分析。

功能特性

 序列與非序列光線追迹

 全面透析光機系統設計(jì) 

 照明(míng)與非成像系統設計(jì)

 雜散光與鬼像分析

 相幹光束傳播模拟 

 成像系統設計(jì)和(hé)實際場(chǎng)景渲染

 自發熱輻射分析

 公差分析與系統調試

 

FRED主要功能  

 可(kě)進行(xíng)PSF、MTF、點列圖、三階像差、光程差、雜散光路徑、重點采樣、鬼像、PST與關鍵被照面、衍射、冷反射、紅外熱成像分析。

 真實三維模型渲染和(hé)實時(shí)顯示窗口，可(kě)以直觀快速的找到整機裝配中不匹配等常見問題。

 可(kě)分析光學系統的三階像差、波像差、振幅、相位、能量等光信息。

 具有(yǒu)快速的序列與非序列光線追迹能力，光線追迹數(shù)量數(shù)沒有(yǒu)限制(zhì)。

 可(kě)支持63核CPU的多(duō)線程運算(suàn)能力，并支持分布式計(jì)算(suàn)。

 擁有(yǒu)內(nèi)置混合優化功能，擁有(yǒu)fractional weighting、Pickup功能以鏈接變量，可(kě)進行(xíng)局部和(hé)僞全局優化，可(kě)內(nèi)建或從CAD導入的NURB表面進行(xíng)優化，可(kě)大(dà)大(dà)減輕照明(míng)等領域的設計(jì)中繁重的工作(zuò)量，支持多(duō)重結構的優化。

 支持VB腳本編程，包含非常多(duō)的命令語言。可(kě)支持創建和(hé)修改幾何模型、光源、鍍膜、材料、散射模型以及進行(xíng)光線追迹和(hé)計(jì)算(suàn)分析，實現功能擴展。

 14+BSDF散射模型，可(kě)用來(lái)仿真機械元件的表面散射，每個(gè)元件可(kě)賦予多(duō)個(gè)散射模型，所有(yǒu)的這些(xiē)散射模型混合可(kě)形成成千上(shàng)萬的散射模型，支持散射數(shù)據的導入和(hé)拟合，并可(kě)模拟透鏡表面粗糙度。

 無級次限制(zhì)的衍射光栅效率計(jì)算(suàn)。

 用數(shù)字化取樣工具可(kě)提取散射、材料、模型、膜層、光譜的數(shù)據信息

 擁有(yǒu)多(duō)種體(tǐ)散射模型，并支持腳本自定義散射模型，支持熒光粉、光學元件內(nèi)部缺陷的散射模型等。

 具有(yǒu)高(gāo)斯、黑(hēi)體(tǐ)、采樣三種光源光譜類型，支持IES TM-27-14 XML、TXT、DAT光譜文件直接導入與光譜合并操作(zuò)，可(kě)直接創建CIEX,Y,Z，明(míng)視(shì)與暗視(shì)光譜。

 FRED使用高(gāo)斯分解技(jì)術(shù)仿真相幹及衍射光學系統，任何複雜的光場(chǎng)可(kě)以分解為(wèi)高(gāo)斯光束，這個(gè)方法允許我們可(kě)以處理(lǐ)相幹光、偏振态，如高(gāo)斯光源、相幹性、光纖耦合分析，使光源更符合實際情況，并可(kě)以模拟部分相幹光。

 多(duō)軟件接口，可(kě)導入其他光學軟件（Zemax、CodeV、OSLO、ASAP）進行(xíng)整個(gè)光機系統性能評價，可(kě)直接導入著名的薄膜設計(jì)軟件Essential Macleod、Optilayer設計(jì)數(shù)據。

 可(kě)以導入CAD 模型并修改其參數(shù)和(hé)光學性質，并且導入無破損。

 可(kě)與FDTD Solutions 的矢量場(chǎng)數(shù)據交換，來(lái)處理(lǐ)宏光學系統和(hé)微結構光學。

 COM服務器(qì)/客戶端支持與Matlab、Excel、C++、VB、C# 等程序相互調用。

 使用“Bird Simple Spectral Model”模拟太陽光在不同位置、不同時(shí)間(jiān)以及一系列環境因素如大(dà)氣氣溶膠厚度、大(dà)氣可(kě)降水(shuǐ)量、表面壓強等對接受面照度影(yǐng)響。

 支持實時(shí)的動态結果可(kě)視(shì)化

 分析面支持平面與三種非平面（球面、柱面、圓錐面）的數(shù)據分析。

照明(míng)和(hé)非成像系統 
 

可(kě)以對光源反射罩或組合透鏡的面型進行(xíng)優化，使得(de)能夠在分析面上(shàng)得(de)到所需的照度分布，而且FRED可(kě)以生(shēng)成照度分布圖，便于直觀的了解。另外，FRED還(hái)可(kě)以導入光源的光線文件，生(shēng)成光線分布列表，快速建立自定義光源。

 

 反射罩的設計(jì)和(hé)優化

左圖是一個(gè)弧光燈的光線追迹效果，其反射罩面型為(wèi)抛物線型。反射罩面型定義完成後，可(kě)以針對所需的度量量設置變量、評價函數(shù)、優化方法等，對反射罩的面型、位置等參數(shù)進行(xíng)優化。下圖所示的是優化前後探測面的照度分布。

 

 顔色分析

選擇Color Image可(kě)以看到真實的彩色圖像，即人(rén)眼可(kě)觀察到的顔色。

 

 兼容度高(gāo)

FRED可(kě)與LED廠商在線提供的IGES格式、STEP格式文件兼容。并對導入的模型進行(xíng)修改，讓使用者在設計(jì)上(shàng)更自由、靈活。

 

并可(kě)支持科銳、歐司朗、飛利浦照明(míng)等多(duō)種光源文件的導入，準确地定義LED光源。

 數(shù)字化轉換器(qì)

 對光譜圖進行(xíng)數(shù)字化轉換，可(kě)以導入生(shēng)成波長列表導入光源。

 2D的機械渲染圖可(kě)以進行(xíng)數(shù)字化轉換，生(shēng)成精确的幾何模型。

 圖形數(shù)字的功能還(hái)可(kě)以應用于鍍膜、材料、散射中。

相幹光束的傳播模拟
 

馬赫-曾德幹涉儀

FRED可(kě)以模拟多(duō)種相幹光源，并且借助于“相幹标量場(chǎng)分析”工具可(kě)以分析相幹光的空(kōng)間(jiān)傳播特性。左圖是FRED中建立的馬赫-曾德幹涉儀模型，由準直相幹光源、分束鏡、平面反射鏡、壓電(diàn)式微反射鏡陣列、探測分析面等元件組成。


 

相幹光場(chǎng)再現

FRED的相幹場(chǎng)重新采樣特性可(kě)以解決相幹光線的誤差，通(tōng)過在一個(gè)擴展的空(kōng)間(jiān)領域再現當前的标量場(chǎng)，并生(shēng)成一系列新的相幹光線。下圖是對馬赫-曾德幹涉儀的相幹場(chǎng)的再現分析。

幹涉儀
 

如下圖所示是幹涉儀的3D視(shì)圖顯示，我們可(kě)以實時(shí)的查看幹涉圖樣的變化。

 

衍射仿真
 

FRED能夠模拟計(jì)算(suàn)孔徑、擋闆和(hé)葉片等産生(shēng)的衍射效應和(hé)對光機系統的影(yǐng)響，使得(de)對于光機系統的模拟更接近現實。下圖是Cassegrain 望遠鏡的第二主鏡和(hé)支持結構等形成的衍射效應的分析

     
     

 

生(shēng)物醫(yī)學

 

FRED光學工程軟件是目前最靈活和(hé)準确的光機系統設計(jì)和(hé)分析軟件。滿足了很(hěn)多(duō)生(shēng)物醫(yī)學光學機構的應用需求，可(kě)以建立包括以下模型：

 

• 內(nèi)窺鏡                                                 

• 體(tǐ)層計(jì)算(suàn)掃描

• 熒光和(hé)組織色散

• 共焦成像系統

• 顯微鏡

• 超光譜系統

• 光束整形

• 偏振光

• 光纖傳輸系統

 

 人(rén)眼模型

FRED中的分析面不僅僅局限于平面，還(hái)可(kě)以在球面采集分析數(shù)據，生(shēng)成直觀的3D視(shì)圖。利用此特性，在FRED中可(kě)以模拟人(rén)眼的視(shì)網膜，進行(xíng)眼視(shì)系統的準确分析。

 

 

視(shì)網膜成像 眼球建模

 

 人(rén)體(tǐ)皮膚模型

FRED中的材料屬性中，可(kě)以對其體(tǐ)散射進行(xíng)設定，內(nèi)置了包括Henyey-Greenstein體(tǐ)散射在內(nèi)的多(duō)種模型可(kě)選。

 

紅外成像
 

FRED可(kě)以很(hěn)容易的使用圖形用戶界面及內(nèi)置的腳本語言實現熱輻射和(hé)熱成像，利用輻射測量技(jì)術(shù)，可(kě)以在很(hěn)短(duǎn)的時(shí)間(jiān)內(nèi)準确的執行(xíng)熱成像、冷反射、熱照度均勻性、自發熱輻射。如上(shàng)圖所示是一個(gè)熱茶壺不同的輻射系數(shù)及不同的表面溫度分布透過單透鏡成像在探測器(qì)上(shàng)的2D照度圖。

 

光纖耦合效率
 

FRED可(kě)以分析單模和(hé)多(duō)模光纖耦合效率，并且自動計(jì)算(suàn)出不同位置和(hé)角度對應的耦合效率關系。如下圖是球形透鏡光纖耦合系統和(hé)效率對位置的關系圖。對于更複雜的光纖（如漸變折射率）和(hé)光源，如果知道(dào)折射率分布和(hé)光源信息，可(kě)以定義詳細光源和(hé)腳本構建漸變折射率材料，并且軟件帶有(yǒu)多(duō)種類型的漸變折射率模型。

 

 

FRED近場(chǎng)衍射
 

FRED可(kě)以模拟近場(chǎng)衍射效應，如下圖例子中幹涉圖樣。

  

 

FRED偏振和(hé)雙折射
 

FRED可(kě)以設置雙折射材料、極化光源和(hé)偏振片等，并且可(kě)以模拟偏振幹涉現象。如下圖是紅寶石激光經過雙折射材料後形成的典型的偏振幹涉圖樣。

         
   

 

FRED Optimum 
 

FRED Optimum 是 FRED 高(gāo)級版本。它包含了內(nèi)置的混合優化模塊，并且擁有(yǒu)利用當今計(jì)算(suàn)機高(gāo)性能的多(duō)核處理(lǐ)器(qì)來(lái)增強光線追迹的能力。 

FRED Optimum 的混合優化不同于透鏡設計(jì)軟件的優化。FRED 的新混合全面優化運算(suàn)是非序列性的。允許多(duō)個(gè)變量同時(shí)優化，擁有(yǒu) fractional weighting 性能以連接變量和(hé)利用多(duō)種內(nèi)置優化函數(shù)，加上(shàng)用戶自定義的腳本可(kě)以應對特殊需要。混合運算(suàn)擁有(yǒu)對在 FRED 中直接內(nèi)建的或者從 CAD 軟件中導入的NURBS 表面進行(xíng)全面優化的能力。優化方案允許用戶完全地控制(zhì)變量、優化函數(shù)和(hé)優化方法，可(kě)以解決複雜的照明(míng)設計(jì)問題。 

 

 

FRED內(nèi)置優化模塊是其他 Non-sequential軟件絕無僅有(yǒu)的優化功能，這也是FRED軟件的重大(dà)突破！
 

FRED MPC
 

FRED MPC是FRED GPU高(gāo)速版本。

它擁有(yǒu)使用GPU進行(xíng)光線生(shēng)成，光線追迹和(hé)分析的能力，可(kě)以快速、精确的顯示光機光線追迹和(hé)分析的結果，運算(suàn)速度有(yǒu)很(hěn)大(dà)的提升。FRED MPC可(kě)以使用GPU核心進行(xíng)線性縮放，可(kě)以進行(xíng)基于GPU的分布式計(jì)算(suàn)，也可(kě)以進行(xíng)3D模型的渲染。

 

BASIC腳本編輯功能

FRED有(yǒu)一內(nèi)建模塊---BASIC腳本語言，超過了1500+的腳本命令可(kě)以更好地擴展程序目前還(hái)未能提供的一些(xiē)功能，其支持創建和(hé)修改幾何模型、光源、鍍膜、材料、散射模型以及進行(xíng)光線追迹和(hé)計(jì)算(suàn)分析，這些(xiē)都有(yǒu)用戶自定義的腳本模闆。此外，客戶端-服務器(qì)自動化使用COM可(kě)以實現FRED與Microsoft Excel和(hé)Matlab軟件的相互調用。FRED圖形用戶界面和(hé)BASIC腳本語言相結合則意味着軟件的功能可(kě)以應用于更廣的領域。