FRED是一套由美國(guó)Photon Engineering公司所開發(fā)出的光學(xué)工程仿真軟件。
作為光機(jī)一體化的開發(fā)平臺(tái)，可以用在光學(xué)設(shè)計(jì)過程中的每一個(gè)環(huán)節(jié)，包括最初的概念驗(yàn)證，整合光學(xué)設(shè)計(jì)和機(jī)械設(shè)計(jì)，對(duì)虛擬原型進(jìn)行全面分析，對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行快速公差分析和優(yōu)化，以及將供應(yīng)商的目錄集成到軟件中以供加工和系統(tǒng)調(diào)試。它的顯示窗口為3D實(shí)體顯示工作平臺(tái)，具備快速的光線追跡功能，并且可以同時(shí)允許63核CPU進(jìn)行多線程運(yùn)算及支持多節(jié)點(diǎn)分布式計(jì)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(jì)算的功能，計(jì)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(jì)算，其計(jì)算速度是其他兩個(gè)版本的100倍！
應(yīng)用領(lǐng)域
FRED 運(yùn)用的領(lǐng)域非常廣泛，只要是幾何光學(xué)可分析的系統(tǒng)皆可使用 FRED 來分析、模擬。常見的應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)椋赫彰飨到y(tǒng)、導(dǎo)光管、投影系統(tǒng)、激光、干涉、雜散光、鬼影分析、生物醫(yī)學(xué)、其它光學(xué)系統(tǒng)原型之系統(tǒng)設(shè)計(jì)等等，無論是簡(jiǎn)易或是復(fù)雜的成像與非成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，F(xiàn)RED都可以準(zhǔn)確的建構(gòu)及分析。
功能特性
序列與非序列光線追跡
全面透析光機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
照明與非成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)
雜散光與鬼像分析
相干光束傳播模擬
成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)際場(chǎng)景渲染
自發(fā)熱輻射分析
公差分析與系統(tǒng)調(diào)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，可以直觀快速的找到整機(jī)裝配中不匹配等常見問題。
可分析光學(xué)系統(tǒng)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追跡能力，光線追跡數(shù)量數(shù)沒有限制。
可支持63核CPU的多線程運(yùn)算能力，并支持分布式計(jì)算。
擁有內(nèi)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(nèi)建或從CAD導(dǎo)入的NURB表面進(jìn)行優(yōu)化，可大大減輕照明等領(lǐng)域的設(shè)計(jì)中繁重的工作量，支持多重結(jié)構(gòu)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)行光線追跡和計(jì)算分析，實(shí)現(xiàn)功能擴(kuò)展。
14+BSDF散射模型，可用來仿真機(jī)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的散射模型，支持散射數(shù)據(jù)的導(dǎo)入和擬合，并可模擬透鏡表面粗糙度。
無級(jí)次限制的衍射光柵效率計(jì)算。
用數(shù)字化取樣工具可提取散射、材料、模型、膜層、光譜的數(shù)據(jù)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(nèi)部缺陷的散射模型等。
具有高斯、黑體、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(dǎo)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(tǒng)，任何復(fù)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(dǎo)入其他光學(xué)軟件（Zemax、CodeV、OSLO、ASAP）進(jìn)行整個(gè)光機(jī)系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)，可直接導(dǎo)入著名的薄膜設(shè)計(jì)軟件Essential Macleod、Optilayer設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。
可以導(dǎo)入CAD 模型并修改其參數(shù)和光學(xué)性質(zhì)，并且導(dǎo)入無破損。
可與FDTD Solutions 的矢量場(chǎng)數(shù)據(jù)交換，來處理宏光學(xué)系統(tǒng)和微結(jié)構(gòu)光學(xué)。
COM服務(wù)器/客戶端支持與Matlab、Excel、C++、VB、C# 等程序相互調(diào)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(qiáng)等對(duì)接受面照度影響。
支持實(shí)時(shí)的動(dòng)態(tài)結(jié)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(shù)據(jù)分析。
應(yīng)用舉例
光機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
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，光源可選類型豐富。不僅如此，除了光學(xué)系統(tǒng)的建模，用戶甚至可以將機(jī)械系統(tǒng)一并整合到FRED中來，并對(duì)其光學(xué)特性進(jìn)行針對(duì)性的分析和計(jì)算，非常接近于真實(shí)的系統(tǒng)。
如下圖所示是馬克蘇托夫望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)，其設(shè)計(jì)原理為折反射望遠(yuǎn)鏡（面鏡-透鏡），設(shè)計(jì)目的為設(shè)計(jì)原理為折反射望遠(yuǎn)鏡（面鏡-透鏡），設(shè)計(jì)目的為減少離軸的像差，如彗形像差等。
該系統(tǒng)中的光學(xué)元件包括：彎月校正鏡、主反射鏡、次反射鏡、對(duì)角棱鏡、普羅素目鏡等。
照明和非成像系統(tǒng)
可以對(duì)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，便于直觀的了解。另外，F(xiàn)RED還可以導(dǎo)入光源的光線文件，生成光線分布列表，快速建立自定義光源。
反射罩的設(shè)計(jì)和優(yōu)化
左圖是一個(gè)弧光燈的光線追跡效果，其反射罩面型為拋物線型。反射罩面型定義完成后，可以針對(duì)所需的度量量設(shè)置變量、評(píng)價(jià)函數(shù)、優(yōu)化方法等，對(duì)反射罩的面型、位置等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。下圖所示的是優(yōu)化前后探測(cè)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，即人眼可觀察到的顏色。
兼容度高
FRED可與LED廠商在線提供的IGES格式、STEP格式文件兼容。并對(duì)導(dǎo)入的模型進(jìn)行修改，讓使用者在設(shè)計(jì)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(dǎo)入，準(zhǔn)確地定義LED光源。
數(shù)字化轉(zhuǎn)換器
對(duì)光譜圖進(jìn)行數(shù)字化轉(zhuǎn)換，可以導(dǎo)入生成波長(zhǎng)列表導(dǎo)入光源。
2D的機(jī)械渲染圖可以進(jìn)行數(shù)字化轉(zhuǎn)換，生成精確的幾何模型。
圖形數(shù)字的功能還可以應(yīng)用于鍍膜、材料、散射中。
雜散光分析
FRED 可以用來建構(gòu)任何復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，并提供給詳細(xì)的分析結(jié)果，也可以精確地模擬出涂黑漆所產(chǎn)生的雜散光效應(yīng)，看到雜散光的形成及其路徑，還可以將雜散光的分析結(jié)果分類，導(dǎo)出所需的報(bào)表或圖形格式。
雜散光的來源
FRED內(nèi)置了14種散射模型，包括Lambertian、Harvey-Shack、ABg、Mie、Black Paint、K相關(guān)系數(shù)、scripted scatterd等，并且支持用戶自定義特殊的散射模型（VB腳本）。
Importance Sampling(重點(diǎn)采樣)
處理大量的光線時(shí)，F(xiàn)RED可以針對(duì)性的對(duì)散射光線進(jìn)行追跡，大大提高追跡的效率。
FRED處理離軸光源發(fā)射的光線與鏡筒內(nèi)壁產(chǎn)生的散射問題
雜散光報(bào)告（Stray Light Report）
FRED可以生成詳細(xì)的雜散光報(bào)告，分析所需的光線路徑和成因，對(duì)雜散光進(jìn)行準(zhǔn)確快速的分析。
雜散光和鬼像分析報(bào)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(biāo)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(zhǔn)直相干光源、分束鏡、平面反射鏡、壓電式微反射鏡陣列、探測(cè)分析面等元件組成。
相干光場(chǎng)再現(xiàn)
FRED的相干場(chǎng)重新采樣特性可以解決相干光線的誤差，通過在一個(gè)擴(kuò)展的空間領(lǐng)域再現(xiàn)當(dāng)前的標(biāo)量場(chǎng)，并生成一系列新的相干光線。下圖是對(duì)馬赫-曾德干涉儀的相干場(chǎng)的再現(xiàn)分析。
基模及高階模高斯光束傳播分析
FRED對(duì)分析面的方向設(shè)置無限制，因此可以計(jì)算沿著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(jì)算孔徑、擋板和葉片等產(chǎn)生的衍射效應(yīng)和對(duì)光機(jī)系統(tǒng)的影響，使得對(duì)于光機(jī)系統(tǒng)的模擬更接近現(xiàn)實(shí)。下圖是Cassegrain 望遠(yuǎn)鏡的第二主鏡和支持結(jié)構(gòu)等形成的衍射效應(yīng)的分析
生物醫(yī)學(xué)
FRED光學(xué)工程軟件是目前最靈活和準(zhǔn)確的光機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和分析軟件。滿足了很多生物醫(yī)學(xué)光學(xué)機(jī)構(gòu)的應(yīng)用需求，可以建立包括以下模型：
• 內(nèi)窺鏡
• 體層計(jì)算掃描
• 熒光和組織色散
• 共焦成像系統(tǒng)
• 顯微鏡
• 超光譜系統(tǒng)
• 光束整形
• 偏振光
• 光纖傳輸系統(tǒng)
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(shù)據(jù)，生成直觀的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(tǒng)的準(zhǔn)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(duì)其體散射進(jìn)行設(shè)定，內(nèi)置了包括Henyey-Greenstein體散射在內(nèi)的多種模型可選。
紅外成像
FRED可以很容易的使用圖形用戶界面及內(nèi)置的腳本語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)熱輻射和熱成像，利用輻射測(cè)量技術(shù)，可以在很短的時(shí)間內(nèi)準(zhǔn)確的執(zhí)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(shù)及不同的表面溫度分布透過單透鏡成像在探測(cè)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(jì)算出不同位置和角度對(duì)應(yīng)的耦合效率關(guān)系。如下圖是球形透鏡光纖耦合系統(tǒng)和效率對(duì)位置的關(guān)系圖。對(duì)于更復(fù)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(xì)光源和腳本構(gòu)建漸變折射率材料，并且軟件帶有多種類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(yīng)，如下圖例子中干涉圖樣。
FRED偏振和雙折射
FRED可以設(shè)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(xiàn)象。如下圖是紅寶石激光經(jīng)過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(jí)版本。它包含了內(nèi)置的混合優(yōu)化模塊，并且擁有利用當(dāng)今計(jì)算機(jī)高性能的多核處理器來增強(qiáng)光線追跡的能力。
FRED Optimum 的混合優(yōu)化不同于透鏡設(shè)計(jì)軟件的優(yōu)化。FRED 的新混合全面優(yōu)化運(yùn)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(nèi)置優(yōu)化函數(shù)，加上用戶自定義的腳本可以應(yīng)對(duì)特殊需要�；旌线\(yùn)算擁有對(duì)在 FRED 中直接內(nèi)建的或者從 CAD 軟件中導(dǎo)入的NURBS 表面進(jìn)行全面優(yōu)化的能力。優(yōu)化方案允許用戶完全地控制變量、優(yōu)化函數(shù)和優(yōu)化方法，可以解決復(fù)雜的照明設(shè)計(jì)問題。
FRED內(nèi)置優(yōu)化模塊是其他 Non-sequential軟件絕無僅有的優(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)行光線生成，光線追跡和分析的能力，可以快速、精確的顯示光機(jī)光線追跡和分析的結(jié)果，運(yùn)算速度有很大的提升。FRED MPC可以使用GPU核心進(jìn)行線性縮放，可以進(jìn)行基于GPU的分布式計(jì)算，也可以進(jìn)行3D模型的渲染。
BASIC腳本編輯功能
FRED有一內(nèi)建模塊---BASIC腳本語(yǔ)言，超過了1500+的腳本命令可以更好地?cái)U(kuò)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)行光線追跡和計(jì)算分析，這些都有用戶自定義的腳本模板。此外，客戶端-服務(wù)器自動(dòng)化使用COM可以實(shí)現(xiàn)FRED與Microsoft Excel和Matlab軟件的相互調(diào)用。FRED圖形用戶界面和BASIC腳本語(yǔ)言相結(jié)合則意味著軟件的功能可以應(yīng)用于更廣的領(lǐng)域。
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