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FRED是一套由美国Photon Engineering公司所开发出的光学工程仿真软件。 gH2,\z`[4 N=:5eAza 作为光机一体化的开发平台,可以用在光学设计过程中的每一个环节,包括最初的概念验证,整合光学设计和机械设计,对虚拟原型进行全面分析,对模型参数进行快速公差分析和优化,以及将供应商的目录集成到软件中以供加工和系统调试。它的显示窗口为3D实体显示工作平台,具备快速的光线追迹功能,并且可以同时允许63核CPU进行多线程运算及支持多节点分布式计算。 Lb{e,JH ,f}UGd[a FRED共有三个版本:FRED Standard拥有软件基本功能;FRED Optimum除了有Standard版本所有功能外,还具备优化功能和分布式计算的功能,计算速度更快;FRED MPC除了有Optimum版本所有的功能外,还能利用GPU进行计算,其计算速度是其他两个版本的100倍! -p-B2?)A vHAg-Avc h/x0]@M& 应用领域 QKN<+,h!z> FRED 运用的领域非常广泛,只要是几何光学可分析的系统皆可使用 FRED 来分析、模拟。常见的应用领域为:照明系统、导光管、投影系统、激光、干涉、杂散光、鬼影分析、生物医学、其它光学系统原型之系统设计等等,无论是简易或是复杂的成像与非成像系统结构,FRED都可以准确的建构及分析。 @
S <-d 功能特性 #j@71]GI 序列与非序列光线追迹 <
RCLI| 全面透析光机系统设计 *lef=:&,, 照明与非成像系统设计 ]$U xCu 杂散光与鬼像分析 {]z4k[;.h 相干光束传播模拟 b 1&i# I?{ 成像系统设计和实际场景渲染 J 5h+s-' 自发热辐射分析 3nY1[, 公差分析与系统调试 )BfT7{WN 0y&I/2 FRED主要功能 tpy>OT$ 可进行PSF、MTF、点列图、三阶像差、光程差、杂散光路径、重点采样、鬼像、PST与关键被照面、衍射、冷反射、红外热成像分析。 $3Z-)m 真实三维模型渲染和实时显示窗口,可以直观快速的找到整机装配中不匹配等常见问题。 B?$ "\;& 可分析光学系统的三阶像差、波像差、振幅、相位、能量等光信息。 3] 1-M 具有快速的序列与非序列光线追迹能力,光线追迹数量数没有限制。 #,{+3Y&5-+ 可支持63核CPU的多线程运算能力,并支持分布式计算。 JbB}y'c4}= 拥有内置混合优化功能,拥有fractional weighting、Pickup功能以链接变量,可进行局部和伪全局优化,可内建或从CAD导入的NURB表面进行优化,可大大减轻照明等领域的设计中繁重的工作量,支持多重结构的优化。 K[chjp!$l 支持VB脚本编程,包含非常多的命令语言。可支持创建和修改几何模型、光源、镀膜、材料、散射模型以及进行光线追迹和计算分析,实现功能扩展。 !_2n 14+BSDF散射模型,可用来仿真机械元件的表面散射,每个元件可赋予多个散射模型,所有的这些散射模型混合可形成成千上万的散射模型,支持散射数据的导入和拟合,并可模拟透镜表面粗糙度。 l!#m&'16" 无级次限制的衍射光栅效率计算。 yqSs,vz 用数字化取样工具可提取散射、材料、模型、膜层、光谱的数据信息 ~[k%oA%W 拥有多种体散射模型,并支持脚本自定义散射模型,支持荧光粉、光学元件内部缺陷的散射模型等。 s4_/&h 具有高斯、黑体、采样三种光源光谱类型,支持IES TM-27-14 XML、TXT、DAT光谱文件直接导入与光谱合并操作,可直接创建CIEX,Y,Z,明视与暗视光谱。 y8VpFa FRED使用高斯分解技术仿真相干及衍射光学系统,任何复杂的光场可以分解为高斯光束,这个方法允许我们可以处理相干光、偏振态,如高斯光源、相干性、光纤耦合分析,使光源更符合实际情况,并可以模拟部分相干光。 >;z<j$;F< 多软件接口,可导入其他光学软件(Zemax、CodeV、OSLO、ASAP)进行整个光机系统性能评价,可直接导入著名的薄膜设计软件Essential Macleod、Optilayer设计数据。 KJE[+R H+z 可以导入CAD 模型并修改其参数和光学性质,并且导入无破损。 yfU<UQ!1 可与FDTD Solutions 的矢量场数据交换,来处理宏光学系统和微结构光学。 P;PQeXKw COM服务器/客户端支持与Matlab、Excel、C++、VB、C# 等程序相互调用。 kj+#TnF- 使用“Bird Simple Spectral Model”模拟太阳光在不同位置、不同时间以及一系列环境因素如大气气溶胶厚度、大气可降水量、表面压强等对接受面照度影响。 $8l({:*q0 支持实时的动态结果可视化 ::n;VY2& 分析面支持平面与三种非平面(球面、柱面、圆锥面)的数据分析。 ^$%Z!uz 8Ry74|`=R B=
keBO](@ 应用举例 xUF_1hY {b]aC 光机系统设计 JO14KY*% _ >`X]I; FRED可以在它的3D窗口中添加各种光学元件,如透镜/棱镜/偏振片/分光镜等,光源可选类型丰富。不仅如此,除了光学系统的建模,用户甚至可以将机械系统一并整合到FRED中来,并对其光学特性进行针对性的分析和计算,非常接近于真实的系统。 Z -%(~ rzp +:
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TF uH3D{4 如下图所示是马克苏托夫望远镜系统,其设计原理为折反射望远镜(面镜-透镜),设计目的为设计原理为折反射望远镜(面镜-透镜),设计目的为减少离轴的像差,如彗形像差等。 Bh&Ew
该系统中的光学元件包括:弯月校正镜、主反射镜、次反射镜、对角棱镜、普罗素目镜等。 :hGPTf MH|]\ ThW,Y"
l 照明和非成像系统 8\<jyJ [NnauItI 可以对光源反射罩或组合透镜的面型进行优化,使得能够在分析面上得到所需的照度分布,而且FRED可以生成照度分布图,便于直观的了解。另外,FRED还可以导入光源的光线文件,生成光线分布列表,快速建立自定义光源。 \3Oij^l0
2?Ye*- 反射罩的设计和优化 JT[*3h
(3\Xy 左图是一个弧光灯的光线追迹效果,其反射罩面型为抛物线型。反射罩面型定义完成后,可以针对所需的度量量设置变量、评价函数、优化方法等,对反射罩的面型、位置等参数进行优化。下图所示的是优化前后探测面的照度分布。 n{*e 9Aw 5)1+~ B
5CAR{|a n$m"]inX 颜色分析 }aB#z<B6 选择Color Image可以看到真实的彩色图像,即人眼可观察到的颜色。 Z: 2I/ t?;T3k[RM
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FwfZ b7C
e%Br 兼容度高 OH<?DcfeL FRED可与LED厂商在线提供的IGES格式、STEP格式文件兼容。并对导入的模型进行修改,让使用者在设计上更自由、灵活。 vUQFQ n)8Yj/5
`=tyN@VC K0+;bu 并可支持科锐、欧司朗、飞利浦照明等多种光源文件的导入,准确地定义LED光源。 ? y},, 数字化转换器 kL@Wb/K JP 对光谱图进行数字化转换,可以导入生成波长列表导入光源。 KB{RU'?f| 2D的机械渲染图可以进行数字化转换,生成精确的几何模型。 ScnY3&rc 图形数字的功能还可以应用于镀膜、材料、散射中。 <*'cf2Q$Av .R44$F k/Mp6<?C: 杂散光分析 /<)-q-W; ^Uw[x\%#gD FRED 可以用来建构任何复杂的结构,并提供给详细的分析结果,也可以精确地模拟出涂黑漆所产生的杂散光效应,看到杂散光的形成及其路径,还可以将杂散光的分析结果分类,导出所需的报表或图形格式。 U/MFhD(06 XOrfs sj 杂散光的来源 Xer@A;c FRED内置了14种散射模型,包括Lambertian、Harvey-Shack、ABg、Mie、Black Paint、K相关系数、scripted scatterd等,并且支持用户自定义特殊的散射模型(VB脚本)。 (4~WWU (iT +KK$0pL
ESQ!@G/n [p;*r)f2} Importance Sampling(重点采样) }#9(Mul 处理大量的光线时,FRED可以针对性的对散射光线进行追迹,大大提高追迹的效率。 "|LQK0q3 9$WJ"]
eO5ktEoJ FRED处理离轴光源发射的光线与镜筒内壁产生的散射问题 :=g.o;(/N :uCdq`SaQl 杂散光报告(Stray Light Report) ;"7/@&M\m FRED可以生成详细的杂散光报告,分析所需的光线路径和成因,对杂散光进行准确快速的分析。 VK
.^v<Yo 0%Q9}l#7
N_' +B+U? [STje8+V 杂散光和鬼像分析报告 ^ "6f\ A!HK~yk~Q Du_$C[ qe?Ggz3p. 相干光束的传播模拟
h)B!LAr
WM< \e 马赫-曾德干涉仪 (KF7zP FRED可以模拟多种相干光源,并且借助于“相干标量场分析”工具可以分析相干光的空间传播特性。左图是FRED中建立的马赫-曾德干涉仪模型,由准直相干光源、分束镜、平面反射镜、压电式微反射镜阵列、探测分析面等元件组成。 g5}7y\ H1UL.g%d=
)+GX<2_ x`2pr 相干光场再现 )
hdgz$cl FRED的相干场重新采样特性可以解决相干光线的误差,通过在一个扩展的空间领域再现当前的标量场,并生成一系列新的相干光线。下图是对马赫-曾德干涉仪的相干场的再现分析。 9/46%=& |