FRED 在LED照明系统中的应用

! r\ktX   FRED是一套由美国Photon Engineering公司所开发出的光学工程仿真软件。 }j@@   Os]M$c_88   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。 (D3m5fO   4KB?g7_*   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！ HpSfI7   Ekp 0.c8:   6j![m+vo%   应用领域 9cPucKuj   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。 ptfADG   功能特性 !H.lVA    序列与非序列光线追迹 KAEpFobYo    全面透析光机系统设计 {]N?DmF    照明与非成像系统设计 +a@SdWf    杂散光与鬼像分析 u3!!_~6,z    相干光束传播模拟 !-Q!/ ?    成像系统设计和实际场景渲染 U^S:2    自发热辐射分析 $l"(tB7d    公差分析与系统调试 2xm?,p`   hzVO.Q*   FRED主要功能   S8<aq P    可进行PSF、MTF、点列图、三阶像差、光程差、杂散光路径、重点采样、鬼像、PST与关键被照面、衍射、冷反射、红外热成像分析。 #>NZN1    真实三维模型渲染和实时显示窗口，可以直观快速的找到整机装配中不匹配等常见问题。 YH$`r6\S    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。 K?eo)|4)DB    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。 :Dm@3S$4<    可支持63核CPU的多线程运算能力，并支持分布式计算。 GY :IORuA4    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。 1 SZa\ ][@    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。 ZXkAw sr    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。 {(Z1Jo Sl    无级次限制的衍射光栅效率计算。 Y^f|}YO%y    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 RH'R6    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。 $o^}<)DW    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。 | mX8fRh    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。 >?xVr    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。 pYQs|5d    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。 IC42O_^    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。 :v48y.Ij7s    COM服务器/客户端支持与Matlab、Excel、C++、VB、C# 等程序相互调用。 1 Qkuxw    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。 c" HCc]    支持实时的动态结果可视化 Vt>E\{@[t    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。 #SOe&W5   b`=rd 4cpU   O#k+.LU   应用举例 sk/Mh8z   O^hV<+CX   光机系统设计 %J'_c|EQM   A&#Bf#!G   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。 ]|(?i ,p   *n\qV*|6bI   ^a r9$$~/!   u[@*}|uXM   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。 n9ih^H   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。 ?Ci\3)u,P   2Ev,dWV   V00zk`PH   照明和非成像系统 yuq E   Nq8A vBwo4   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。 %-.GyG$i   ;!b(b%    反射罩的设计和优化 _9dV 3I   sy?W\(x   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。 VB%xV    vJs/ett   K(Nk|gQ   M~ 4!gKs    颜色分析 7dRU7p>   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。 }K\_N]#6n   *@Z'{V\   > im4'-   >#Yq&@G    兼容度高 muLTYgaM   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。 1['A1,   0%GWc}o   EOiKwhrV   P:o<kRj1   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。 H+Wd#7l,    数字化转换器 a &j?"o    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。 go@}r<B$    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。 LxO'$oKZV    图形数字的功能还可以应用于镀膜、材料、散射中。 = zSrre   4KKNw9L)   cW2:D$Pe   杂散光分析 ),_bDI L+   f$/D?q3N   FRED 可以用来建构任何复杂的结构，并提供给详细的分析结果，也可以精确地模拟出涂黑漆所产生的杂散光效应，看到杂散光的形成及其路径，还可以将杂散光的分析结果分类，导出所需的报表或图形格式。 ;-F#a+2]!   bP[/    杂散光的来源 }`X$ '   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）。 D'X'h}+2   VmW_,   cjL!$OE6   Co M8    Importance Sampling(重点采样) q:'(1y~   处理大量的光线时，FRED可以针对性的对散射光线进行追迹，大大提高追迹的效率。 JmK+#o   ETIf x)B-   8CL05:&   FRED处理离轴光源发射的光线与镜筒内壁产生的散射问题 !dGgLU_   ` mi!"pmw    杂散光报告（Stray Light Report） 1VeCAx[e   FRED可以生成详细的杂散光报告，分析所需的光线路径和成因，对杂散光进行准确快速的分析。 s}.nh>Q   (]JJ?aAF   ]3v   杂散光和鬼像分析报告 JBqzQ^[n   >2rFURcD   {"<Q?yA2y    _R]1J0   r&qD!l5y   相干光束的传播模拟 nD_ g84us   [x&&N*>N   马赫-曾德干涉仪 o8" [6Ys   FRED可以模拟多种相干光源，并且借助于“相干标量场分析”工具可以分析相干光的空间传播特性。左图是FRED中建立的马赫-曾德干涉仪模型，由准直相干光源、分束镜、平面反射镜、压电式微反射镜阵列、探测分析面等元件组成。 HTC7fS   |(/"IS]   uGv+c.~[j   %l,Xt"nS#   相干光场再现 f?]cW h%   FRED的相干场重新采样特性可以解决相干光线的误差，通过在一个扩展的空间领域再现当前的标量场，并生成一系列新的相干光线。下图是对马赫-曾德干涉仪的相干场的再现分析。 UY==1\   ?TXFOr]g]2   @cx!m   b~|B(lL6Xm   E?;W@MJi   基模及高阶模高斯光束传播分析 6};Sn/8   h'bxgIl'`   FRED对分析面的方向设置无限制，因此可以计算沿着传播方向的能量密度，如图是拉盖尔高阶模式纵向和横向的能量密度分布。 .RT5sj\d   -~5yl}   27MgwX NQ   R_^:<F0   干涉仪 0ul2rZc   sU`#d   如下图所示是干涉仪的3D视图显示，我们可以实时的查看干涉图样的变化。 Un<~P@T%   -Ju!2by   .8,lhcpY   ?O_;{(F_   衍射仿真 |h3YL!   8mV35A7l   FRED能够模拟计算孔径、挡板和叶片等产生的衍射效应和对光机系统的影响，使得对于光机系统的模拟更接近现实。下图是Cassegrain 望远镜的第二主镜和支持结构等形成的衍射效应的分析 h7*m+/O        {u:DC4eut        |HL1.;1   ]@'YlPU   生物医学 }NUP[%    3 A+d8fwi   FRED光学工程软件是目前最灵活和准确的光机系统设计和分析软件。满足了很多生物医学光学机构的应用需求，可以建立包括以下模型： Di&tm1R1   ;xb:{?   • 内窥镜                                                 Q=+KnE=h   • 体层计算扫描 +>s[w{Svy   • 荧光和组织色散 E)`+1j   • 共焦成像系统 UE(%R1Py   • 显微镜 ub-ZrC'   • 超光谱系统 `=FfzL   • 光束整形 j /9'L^]   • 偏振光 ua2SW(C@   • 光纤传输系统 @P%&Dha   _G`kj{J   ATwPfo8jx@   d/"e3S1    人眼模型 fSSDOH!U,   FRED中的分析面不仅仅局限于平面，还可以在球面采集分析数据，生成直观的3D视图。利用此特性，在FRED中可以模拟人眼的视网膜，进行眼视系统的准确分析。 -{ZRk[>Z   0{ \AP<   %POoyH@D}      ]/U)<{6   视网膜成像 眼球建模 '(ql7   /Wt<[g#    人体皮肤模型 ab6KK$s   FRED中的材料属性中，可以对其体散射进行设定，内置了包括Henyey-Greenstein体散射在内的多种模型可选。 1}'|HAu   Z5+qb   BaqRAO7   UE*M\r<   红外成像 edA.Va|0   X+iUT   FRED可以很容易的使用图形用户界面及内置的脚本语言实现热辐射和热成像，利用辐射测量技术，可以在很短的时间内准确的执行热成像、冷反射、热照度均匀性、自发热辐射。如上图所示是一个热茶壶不同的辐射系数及不同的表面温度分布透过单透镜成像在探测器上的2D照度图。  d':c   F(mm0:lT   u3 kZOsG   q* 52|?   光纤耦合效率 3PPN_Z   bz,C%HFA   FRED可以分析单模和多模光纤耦合效率，并且自动计算出不同位置和角度对应的耦合效率关系。如下图是球形透镜光纤耦合系统和效率对位置的关系图。对于更复杂的光纤（如渐变折射率）和光源，如果知道折射率分布和光源信息，可以定义详细光源和脚本构建渐变折射率材料，并且软件带有多种类型的渐变折射率模型。 IojF/   %I?uO( @   U }xRvNz   GXf"a3   FRED近场衍射 [$f   Eqnc("m)   FRED可以模拟近场衍射效应，如下图例子中干涉图样。 }fdo Aid~   d'q,:="c      bfhap(F~(e   h9$Ov`N(%   FRED偏振和双折射 Q`'w)aV   r+ k5Bk'   FRED可以设置双折射材料、极化光源和偏振片等，并且可以模拟偏振干涉现象。如下图是红宝石激光经过双折射材料后形成的典型的偏振干涉图样。 6o!+E@V b            {p-&8-      +O2T%   1r'skmxq   FRED Optimum .gzNdSE   UTC|8   FRED Optimum 是 FRED 高级版本。它包含了内置的混合优化模块，并且拥有利用当今计算机高性能的多核处理器来增强光线追迹的能力。 iW9G0Ay   FRED Optimum 的混合优化不同于透镜设计软件的优化。FRED 的新混合全面优化运算是非序列性的。允许多个变量同时优化，拥有 fractional weighting 性能以连接变量和利用多种内置优化函数，加上用户自定义的脚本可以应对特殊需要。混合运算拥有对在 FRED 中直接内建的或者从 CAD 软件中导入的NURBS 表面进行全面优化的能力。优化方案允许用户完全地控制变量、优化函数和优化方法，可以解决复杂的照明设计问题。 r< sx On   @WEDXB   3%p^>D\   AQ7w5}g+V   FRED内置优化模块是其他 Non-sequential软件绝无仅有的优化功能，这也是FRED软件的重大突破！ ?@!dc6    -YPUrU[)   FRED MPC EPkmBru ^   ef*V s   FRED MPC是FRED GPU高速版本。 h0_od/D1r   它拥有使用GPU进行光线生成，光线追迹和分析的能力，可以快速、精确的显示光机光线追迹和分析的结果，运算速度有很大的提升。FRED MPC可以使用GPU核心进行线性缩放，可以进行基于GPU的分布式计算，也可以进行3D模型的渲染。 T5$db-^   Y`.FSs   3+ JkV\AF   t4X:I&l-M:   BASIC脚本编辑功能 [Wf%iwB   FRED有一内建模块---BASIC脚本语言，超过了1500+的脚本命令可以更好地扩展程序目前还未能提供的一些功能，其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，这些都有用户自定义的脚本模板。此外，客户端-服务器自动化使用COM可以实现FRED与Microsoft Excel和Matlab软件的相互调用。FRED图形用户界面和BASIC脚本语言相结合则意味着软件的功能可以应用于更广的领域。 / ?C}PM   ^~Xs HmcQ

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