FRED是一套由美國Photon Engineering公司所開(kāi)發(fā)出的光學(xué)工程仿真軟件。
作為光機一體化的開(kāi)發(fā)平臺,可以用在光學(xué)設計過(guò)程中的每一個(gè)環(huán)節,包括最初的概念驗證,整合光學(xué)設計和機械設計,對虛擬原型進(jìn)行全面分析,對模型參數進(jìn)行快速公差分析和優(yōu)化,以及將供應商的目錄集成到軟件中以供加工和系統調試。它的顯示窗口為3D實(shí)體顯示工作平臺,具備快速的光線(xiàn)追跡功能,并且可以同時(shí)允許63核CPU進(jìn)行多線(xiàn)程運算及支持多節點(diǎn)分布式計算。
FRED共有三個(gè)版本:FRED Standard擁有軟件基本功能;FRED Optimum除了有Standard版本所有功能外,還具備優(yōu)化功能和分布式計算的功能,計算速度更快;FRED MPC除了有Optimum版本所有的功能外,還能利用GPU進(jìn)行計算,其計算速度是其他兩個(gè)版本的100倍!
應用領(lǐng)域
FRED 運用的領(lǐng)域非常廣泛,只要是幾何光學(xué)可分析的系統皆可使用 FRED 來(lái)分析、模擬。常見(jiàn)的應用領(lǐng)域為:照明系統、導光管、投影系統、激光、干涉、雜散光、鬼影分析、生物醫學(xué)、其它光學(xué)系統原型之系統設計等等,無(wú)論是簡(jiǎn)易或是復雜的成像與非成像系統結構,FRED都可以準確的建構及分析。
功能特性
序列與非序列光線(xiàn)追跡
全面透析光機系統設計
照明與非成像系統設計
雜散光與鬼像分析
相干光束傳播模擬
成像系統設計和實(shí)際場(chǎng)景渲染
自發(fā)熱輻射分析
公差分析與系統調試
FRED主要功能
可進(jìn)行PSF、MTF、點(diǎn)列圖、三階像差、光程差、雜散光路徑、重點(diǎn)采樣、鬼像、PST與關(guān)鍵被照面、衍射、冷反射、紅外熱成像分析。
真實(shí)三維模型渲染和實(shí)時(shí)顯示窗口,可以直觀(guān)快速的找到整機裝配中不匹配等常見(jiàn)問(wèn)題。
可分析光學(xué)系統的三階像差、波像差、振幅、相位、能量等光信息。
具有快速的序列與非序列光線(xiàn)追跡能力,光線(xiàn)追跡數量數沒(méi)有限制。
可支持63核CPU的多線(xiàn)程運算能力,并支持分布式計算。
擁有內置混合優(yōu)化功能,擁有fractional weighting、Pickup功能以鏈接變量,可進(jìn)行局部和偽全局優(yōu)化,可內建或從CAD導入的NURB表面進(jìn)行優(yōu)化,可大大減輕照明等領(lǐng)域的設計中繁重的工作量,支持多重結構的優(yōu)化。
支持VB腳本編程,包含非常多的命令語(yǔ)言?芍С謩(chuàng )建和修改幾何模型、光源、鍍膜、材料、散射模型以及進(jìn)行光線(xiàn)追跡和計算分析,實(shí)現功能擴展。
14+BSDF散射模型,可用來(lái)仿真機械元件的表面散射,每個(gè)元件可賦予多個(gè)散射模型,所有的這些散射模型混合可形成成千上萬(wàn)的散射模型,支持散射數據的導入和擬合,并可模擬透鏡表面粗糙度。
無(wú)級次限制的衍射光柵效率計算。
用數字化取樣工具可提取散射、材料、模型、膜層、光譜的數據信息
擁有多種體散射模型,并支持腳本自定義散射模型,支持熒光粉、光學(xué)元件內部缺陷的散射模型等。
具有高斯、黑體、采樣三種光源光譜類(lèi)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,可直接創(chuàng )建CIEX,Y,Z,明視與暗視光譜。
FRED使用高斯分解技術(shù)仿真相干及衍射光學(xué)系統,任何復雜的光場(chǎng)可以分解為高斯光束,這個(gè)方法允許我們可以處理相干光、偏振態(tài),如高斯光源、相干性、光纖耦合分析,使光源更符合實(shí)際情況,并可以模擬部分相干光。
多軟件接口,可導入其他光學(xué)軟件(Zemax、CodeV、OSLO、ASAP)進(jìn)行整個(gè)光機系統性能評價(jià),可直接導入著(zhù)名的薄膜設計軟件Essential Macleod、Optilayer設計數據。
可以導入CAD 模型并修改其參數和光學(xué)性質(zhì),并且導入無(wú)破損。
可與FDTD Solutions 的矢量場(chǎng)數據交換,來(lái)處理宏光學(xué)系統和微結構光學(xué)。
COM服務(wù)器/客戶(hù)端支持與Matlab、Excel、C++、VB、C# 等程序相互調用。
使用“Bird Simple Spectral Model”模擬太陽(yáng)光在不同位置、不同時(shí)間以及一系列環(huán)境因素如大氣氣溶膠厚度、大氣可降水量、表面壓強等對接受面照度影響。
支持實(shí)時(shí)的動(dòng)態(tài)結果可視化
分析面支持平面與三種非平面(球面、柱面、圓錐面)的數據分析。
應用舉例
光機系統設計
FRED可以在它的3D窗口中添加各種光學(xué)元件,如透鏡/棱鏡/偏振片/分光鏡等,光源可選類(lèi)型豐富。不僅如此,除了光學(xué)系統的建模,用戶(hù)甚至可以將機械系統一并整合到FRED中來(lái),并對其光學(xué)特性進(jìn)行針對性的分析和計算,非常接近于真實(shí)的系統。
如下圖所示是馬克蘇托夫望遠鏡系統,其設計原理為折反射望遠鏡(面鏡-透鏡),設計目的為設計原理為折反射望遠鏡(面鏡-透鏡),設計目的為減少離軸的像差,如彗形像差等。
該系統中的光學(xué)元件包括:彎月校正鏡、主反射鏡、次反射鏡、對角棱鏡、普羅素目鏡等。
照明和非成像系統
可以對光源反射罩或組合透鏡的面型進(jìn)行優(yōu)化,使得能夠在分析面上得到所需的照度分布,而且FRED可以生成照度分布圖,便于直觀(guān)的了解。另外,FRED還可以導入光源的光線(xiàn)文件,生成光線(xiàn)分布列表,快速建立自定義光源。
反射罩的設計和優(yōu)化
左圖是一個(gè)弧光燈的光線(xiàn)追跡效果,其反射罩面型為拋物線(xiàn)型。反射罩面型定義完成后,可以針對所需的度量量設置變量、評價(jià)函數、優(yōu)化方法等,對反射罩的面型、位置等參數進(jìn)行優(yōu)化。下圖所示的是優(yōu)化前后探測面的照度分布。
顏色分析
選擇Color Image可以看到真實(shí)的彩色圖像,即人眼可觀(guān)察到的顏色。
兼容度高
FRED可與LED廠(chǎng)商在線(xiàn)提供的IGES格式、STEP格式文件兼容。并對導入的模型進(jìn)行修改,讓使用者在設計上更自由、靈活。
并可支持科銳、歐司朗、飛利浦照明等多種光源文件的導入,準確地定義LED光源。
數字化轉換器
對光譜圖進(jìn)行數字化轉換,可以導入生成波長(cháng)列表導入光源。
2D的機械渲染圖可以進(jìn)行數字化轉換,生成精確的幾何模型。
圖形數字的功能還可以應用于鍍膜、材料、散射中。
雜散光分析
FRED 可以用來(lái)建構任何復雜的結構,并提供給詳細的分析結果,也可以精確地模擬出涂黑漆所產(chǎn)生的雜散光效應,看到雜散光的形成及其路徑,還可以將雜散光的分析結果分類(lèi),導出所需的報表或圖形格式。
雜散光的來(lái)源
FRED內置了14種散射模型,包括Lambertian、Harvey-Shack、ABg、Mie、Black Paint、K相關(guān)系數、scripted scatterd等,并且支持用戶(hù)自定義特殊的散射模型(VB腳本)。
Importance Sampling(重點(diǎn)采樣)
處理大量的光線(xiàn)時(shí),FRED可以針對性的對散射光線(xiàn)進(jìn)行追跡,大大提高追跡的效率。
FRED處理離軸光源發(fā)射的光線(xiàn)與鏡筒內壁產(chǎn)生的散射問(wèn)題
雜散光報告(Stray Light Report)
FRED可以生成詳細的雜散光報告,分析所需的光線(xiàn)路徑和成因,對雜散光進(jìn)行準確快速的分析。
雜散光和鬼像分析報告
相干光束的傳播模擬
馬赫-曾德干涉儀
FRED可以模擬多種相干光源,并且借助于“相干標量場(chǎng)分析”工具可以分析相干光的空間傳播特性。左圖是FRED中建立的馬赫-曾德干涉儀模型,由準直相干光源、分束鏡、平面反射鏡、壓電式微反射鏡陣列、探測分析面等元件組成。
相干光場(chǎng)再現
FRED的相干場(chǎng)重新采樣特性可以解決相干光線(xiàn)的誤差,通過(guò)在一個(gè)擴展的空間領(lǐng)域再現當前的標量場(chǎng),并生成一系列新的相干光線(xiàn)。下圖是對馬赫-曾德干涉儀的相干場(chǎng)的再現分析。
基模及高階模高斯光束傳播分析
FRED對分析面的方向設置無(wú)限制,因此可以計算沿著(zhù)傳播方向的能量密度,如圖是拉蓋爾高階模式縱向和橫向的能量密度分布。
干涉儀
如下圖所示是干涉儀的3D視圖顯示,我們可以實(shí)時(shí)的查看干涉圖樣的變化。
衍射仿真
FRED能夠模擬計算孔徑、擋板和葉片等產(chǎn)生的衍射效應和對光機系統的影響,使得對于光機系統的模擬更接近現實(shí)。下圖是Cassegrain 望遠鏡的第二主鏡和支持結構等形成的衍射效應的分析
生物醫學(xué)
FRED光學(xué)工程軟件是目前最靈活和準確的光機系統設計和分析軟件。滿(mǎn)足了很多生物醫學(xué)光學(xué)機構的應用需求,可以建立包括以下模型:
• 內窺鏡
• 體層計算掃描
• 熒光和組織色散
• 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
人眼模型
FRED中的分析面不僅僅局限于平面,還可以在球面采集分析數據,生成直觀(guān)的3D視圖。利用此特性,在FRED中可以模擬人眼的視網(wǎng)膜,進(jìn)行眼視系統的準確分析。
視網(wǎng)膜成像 眼球建模
人體皮膚模型
FRED中的材料屬性中,可以對其體散射進(jìn)行設定,內置了包括Henyey-Greenstein體散射在內的多種模型可選。
紅外成像
FRED可以很容易的使用圖形用戶(hù)界面及內置的腳本語(yǔ)言實(shí)現熱輻射和熱成像,利用輻射測量技術(shù),可以在很短的時(shí)間內準確的執行熱成像、冷反射、熱照度均勻性、自發(fā)熱輻射。如上圖所示是一個(gè)熱茶壺不同的輻射系數及不同的表面溫度分布透過(guò)單透鏡成像在探測器上的2D照度圖。
光纖耦合效率
FRED可以分析單模和多模光纖耦合效率,并且自動(dòng)計算出不同位置和角度對應的耦合效率關(guān)系。如下圖是球形透鏡光纖耦合系統和效率對位置的關(guān)系圖。對于更復雜的光纖(如漸變折射率)和光源,如果知道折射率分布和光源信息,可以定義詳細光源和腳本構建漸變折射率材料,并且軟件帶有多種類(lèi)型的漸變折射率模型。
FRED近場(chǎng)衍射
FRED可以模擬近場(chǎng)衍射效應,如下圖例子中干涉圖樣。
FRED偏振和雙折射
FRED可以設置雙折射材料、極化光源和偏振片等,并且可以模擬偏振干涉現象。如下圖是紅寶石激光經(jīng)過(guò)雙折射材料后形成的典型的偏振干涉圖樣。
FRED Optimum
FRED Optimum 是 FRED 高級版本。它包含了內置的混合優(yōu)化模塊,并且擁有利用當今計算機高性能的多核處理器來(lái)增強光線(xiàn)追跡的能力。
FRED Optimum 的混合優(yōu)化不同于透鏡設計軟件的優(yōu)化。FRED 的新混合全面優(yōu)化運算是非序列性的。允許多個(gè)變量同時(shí)優(yōu)化,擁有 fractional weighting 性能以連接變量和利用多種內置優(yōu)化函數,加上用戶(hù)自定義的腳本可以應對特殊需要;旌线\算擁有對在 FRED 中直接內建的或者從 CAD 軟件中導入的NURBS 表面進(jìn)行全面優(yōu)化的能力。優(yōu)化方案允許用戶(hù)完全地控制變量、優(yōu)化函數和優(yōu)化方法,可以解決復雜的照明設計問(wèn)題。
FRED內置優(yōu)化模塊是其他 Non-sequential軟件絕無(wú)僅有的優(yōu)化功能,這也是FRED軟件的重大突破!
FRED MPC
FRED MPC是FRED GPU高速版本。
它擁有使用GPU進(jìn)行光線(xiàn)生成,光線(xiàn)追跡和分析的能力,可以快速、精確的顯示光機光線(xiàn)追跡和分析的結果,運算速度有很大的提升。FRED MPC可以使用GPU核心進(jìn)行線(xiàn)性縮放,可以進(jìn)行基于GPU的分布式計算,也可以進(jìn)行3D模型的渲染。
BASIC腳本編輯功能
FRED有一內建模塊---BASIC腳本語(yǔ)言,超過(guò)了1500+的腳本命令可以更好地擴展程序目前還未能提供的一些功能,其支持創(chuàng )建和修改幾何模型、光源、鍍膜、材料、散射模型以及進(jìn)行光線(xiàn)追跡和計算分析,這些都有用戶(hù)自定義的腳本模板。此外,客戶(hù)端-服務(wù)器自動(dòng)化使用COM可以實(shí)現FRED與Microsoft Excel和Matlab軟件的相互調用。FRED圖形用戶(hù)界面和BASIC腳本語(yǔ)言相結合則意味著(zhù)軟件的功能可以應用于更廣的領(lǐng)域。
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