光學(xué)工程
關(guān)注創(chuàng)建者：大穆穆 創(chuàng)建時(shí)間：2017-09-20
光學(xué)工程的實(shí)例教程
今天為大家推薦一款光學(xué)軟件，它可以幫助我們解決很多關(guān)于光學(xué)工程的問題，大家可以試試哦！
光學(xué)工程發(fā)展概況與應(yīng)用領(lǐng)域
1997年，在我國光學(xué)界泰斗王大珩院士的建議下，國務(wù)院學(xué)位委員會(huì)同意將“光學(xué)工程”列為工學(xué)一級學(xué)科。
作為一門理工交叉的學(xué)科，光學(xué)工程學(xué)科的理論體系得到了不斷地完善與發(fā)展，如今光學(xué)工程已發(fā)展為以光學(xué)為主，并與信息科學(xué)、能源科學(xué)、材料科學(xué)、生命科學(xué)、空間科學(xué)、精密機(jī)械與制造、計(jì)算機(jī)科學(xué)及微電子技術(shù)等學(xué)科緊密交叉和相互滲透的學(xué)科。
它包含了許多重要的新興學(xué)科分支，如激光技術(shù)、光纖通信、光存儲與記錄、光學(xué)信息處理、光電顯示、全息和三維成像、薄膜和集成光學(xué)、光學(xué)與光纖傳感、光探測、激光材料處理和加工、弱光與紅外熱成像、光電測量、現(xiàn)代光學(xué)和光電子儀器及器件、光學(xué)遙感技術(shù)以及綜合光學(xué)工程技術(shù)等。這些分支不僅使光學(xué)工程學(xué)科產(chǎn)生了質(zhì)的飛躍，而且推動(dòng)建立了一個(gè)規(guī)模迅速擴(kuò)大的前所未有的現(xiàn)代光學(xué)和光電子產(chǎn)業(yè)。
近些年來，在一些重要的領(lǐng)域，信息載體正在由電磁波段擴(kuò)展到光波段，從而使現(xiàn)代光產(chǎn)業(yè)的主體集中在光信息獲取、傳輸、處理、記錄、存儲、顯示和傳感等的光電信息產(chǎn)業(yè)上。
這些產(chǎn)業(yè)一般具有數(shù)字化、集成化和微結(jié)構(gòu)化等技術(shù)特征。在傳統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)經(jīng)不斷地智能化和自動(dòng)化，從而仍然能夠發(fā)揮重要作用的同時(shí)，對集傳感、處理和執(zhí)行功能于一體的微光學(xué)系統(tǒng)的研究和開拓光子在信息科學(xué)中作用的研究，將成為今后光學(xué)工程學(xué)科的重要發(fā)展方向。
試試這款軟件
FRED是什么軟件？
它運(yùn)用的領(lǐng)域范圍非常廣泛，能幫助光學(xué)人在照明系統(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)、及其它光學(xué)系統(tǒng)原型的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中解決問題。最重要的是！無論簡易或復(fù)雜的成像與非成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)， FRED 都可以準(zhǔn)確的建構(gòu)及分析。
展開 摘要
在光學(xué)工程中，高效的計(jì)算結(jié)果很難通過強(qiáng)力光線追跡來獲得。使用輻射測量學(xué)技術(shù)，在很短的時(shí)間內(nèi)，可以有效并準(zhǔn)確地執(zhí)行雜散光，照度均勻性和自發(fā)熱輻射的計(jì)算來追跡必要數(shù)量的光線。
關(guān)鍵字：照明，輻射度量學(xué)，光線追跡，雜散光
1.前言
根據(jù)MSNtm Encarta（微軟公司產(chǎn)品）在線詞典，“clever”這個(gè)詞是一個(gè)形容詞，意為“展示意志力，敏捷性和創(chuàng)造力”。“trick”這個(gè)詞是一個(gè)名詞，意為“一個(gè)特殊的、有效或巧妙的技巧，技能或技術(shù)”。綜上所述，本文的目的是介紹光學(xué)工程領(lǐng)域中聰明的和創(chuàng)造性的使用技巧。
在光學(xué)軟件的早期，當(dāng)開始執(zhí)行計(jì)算時(shí)，設(shè)計(jì)人員和分析師學(xué)會(huì)了如何高效又富有洞察力的計(jì)算。他們必須如此的原因是，在分時(shí)享用計(jì)算機(jī)上進(jìn)行計(jì)算成本很高，而且獲取計(jì)算機(jī)并不總是很方便。此外軟件開發(fā)人員還沒有寫出很多如目前的現(xiàn)代軟件一樣豐富的專門的功能。
現(xiàn)代的軟件提供了無數(shù)種計(jì)算選擇，這使得很多沒有經(jīng)驗(yàn)的用戶相信，每一個(gè)問題可以通過按下工具欄上的按鈕而得以解決（圖1）。這是不正確的!
圖1 “圣杯”界面的發(fā)展：一個(gè)解決了用戶問題的按鈕，…不管它是什么問題。
有幾類問題，僅僅按鈕的解決方案是行不通的。這包括雜散光/離軸抑制計(jì)算，照明分析問題（特別是源于特定的視角），自發(fā)熱輻射計(jì)算及涉及多光束的干涉分析。這篇論文論述了前三類問題。
2.雜散光的計(jì)算
例如，讓我們考慮距離地球特定軌道高度上的傳感器的典型雜散光計(jì)算案例（圖2）。在這種情況下，傳感器的視線（LOS）是在地球的邊緣之上；LOS與邊緣之間的角度通常稱為“邊緣角”?，F(xiàn)在的問題是“到達(dá)傳感器FPA（焦平面陣列）的雜散光數(shù)量是多少？”
圖2 地球傳感器的幾何結(jié)構(gòu)（不按比例尺測量）。
展開 FRED是一套由美國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，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)，對虛擬原型進(jìn)行全面分析，對模型參數(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，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。
展開 硬件需求
FREDMPC不是一個(gè)獨(dú)立的產(chǎn)品，它是我們的FRED光學(xué)工程軟件的一個(gè)版本，允許使用GPU執(zhí)行光線生成，光線追跡和分析。除GPU功能外，F(xiàn)REDMPC License還可以訪問FRED Standard和FRED Optimum的所有CPU功能。使用FRED MPC License中包含的CPU功能時(shí)，應(yīng)考慮以下PC配置選項(xiàng)：
? FRED只運(yùn)行在Windows上，我們推薦win10
? FRED Standard在多達(dá)17個(gè)線程上執(zhí)行多線程計(jì)算，而FRED Optimum最多支持63個(gè)線程。FRED不會(huì)使用任何超過FRED版本限制的線程。
? FRED的許多組件（例如BASIC腳本計(jì)算和模型更新）不是多線程的。因此，有一個(gè)高速處理器是很有用的。在許多情況下，與較大數(shù)量的慢速CPU相比，較低數(shù)量的快速CPU的性能更好（例如16核3.2GHz vs. 24核2.4GHz）。
? 我們建議使用16 GB+ RAM，以避免在使用大型光線追跡時(shí)可能發(fā)生的緩存溢出情況。
? 有時(shí), 無法避免緩沖（例如，當(dāng)需要追跡超過可用RAM所能處理的光線時(shí)）。因此，具有高磁盤I/O的系統(tǒng)是有好處的。另外推薦使用固態(tài)硬盤（SSD）。
GPU要求
FREDMPC需要一個(gè)或多個(gè)具有3.1或更高計(jì)算能力的本地NVIDIA GPU。軟件支持多個(gè)并行操作的GPU板。
下圖顯示了已成功用FREDMPC進(jìn)行測試的各種GPU主板的相對性能，其中GeForce GTX 1050 Ti作為參考，為每個(gè)顯卡提供相對性能范圍，以說明在基準(zhǔn)測試期間觀察到的結(jié)果范圍（即一些FRED模型追跡光線比其他模型更快）。例如，Quadro GV100上的基準(zhǔn)文件執(zhí)行速度比GeForce GTX 1050 Ti上的相同文件快2.4到12.6倍。
展開 JCMsuite是一款來自德國JCMwave公司、最適于復(fù)雜納米光學(xué)系統(tǒng)的仿真和設(shè)計(jì)軟件。它利用最先進(jìn)的技術(shù)，為光學(xué)、連續(xù)介質(zhì)力學(xué)和熱傳導(dǎo)問題提供快速準(zhǔn)確的數(shù)值求解。它提供易用的腳本環(huán)境、可集成分析工具（如MATLAB、Python等）、機(jī)器學(xué)習(xí)優(yōu)化技術(shù)等功能。”
JCMsuite是一款功能強(qiáng)大且靈活的仿真計(jì)算軟件，最適于復(fù)雜納米光學(xué)系統(tǒng)的仿真和設(shè)計(jì)。它利用最先進(jìn)的技術(shù)，為光學(xué)、連續(xù)介質(zhì)力學(xué)和熱傳導(dǎo)問題提供快速準(zhǔn)確的數(shù)值求解。JCMsuite為您提供易用的腳本環(huán)境使用界面，并能完全集成在數(shù)據(jù)分析工具包中，且通過最新的機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)優(yōu)化您的光學(xué)系統(tǒng)。
01
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復(fù)雜光學(xué)系統(tǒng)的仿真
JCMsuite是一個(gè)完整且易用的有限元計(jì)算軟件，用于計(jì)算復(fù)雜納米光學(xué)系統(tǒng)中的電磁波、彈性和熱傳導(dǎo)。 基于數(shù)學(xué)和計(jì)算科學(xué)理論，JCMsuite擁有極短的計(jì)算時(shí)間、緊湊的數(shù)據(jù)空間需求和高度可靠性。
02
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分析和優(yōu)化
JCMsuite包含用于高效地分析和優(yōu)化納米光學(xué)器件或其他光學(xué)系統(tǒng)特性的工具。高級的機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)可以有效地搜尋最佳設(shè)計(jì)，并顯著縮短開發(fā)時(shí)間。
03
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JCMsuite技術(shù)
JCMsuite是基于先進(jìn)的數(shù)學(xué)方法和計(jì)算科學(xué)技術(shù)。它利用有限元方法（FEM）的強(qiáng)大功能和靈活性來實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確的仿真計(jì)算，并使用最新的機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)來優(yōu)化復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)。
1、CAD和網(wǎng)格劃分工具
JCMsuite幾何創(chuàng)建和網(wǎng)格劃分工具專門用于光子應(yīng)用。
形狀和幾何形狀：可以使用線性或彎曲單元?jiǎng)?chuàng)建各種CAD幾何圖形，例如2D和3D基元、擠出、圓角形狀和自由形狀等。
展開 
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光學(xué)工程的最新內(nèi)容
2021獲華中科技大學(xué)光學(xué)工程博士學(xué)位，進(jìn)入長江存儲從事工藝研發(fā)。2023年加入國家信息光電子創(chuàng)新中心硅光技術(shù)部，從事12英寸國產(chǎn)硅光流片平臺開發(fā)與對外服務(wù)業(yè)務(wù)。獲評2024年度 “3551” 優(yōu)秀青年人才稱號。
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11/5 | Ansys高校系列專題：Zemax在《光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)》課程中的應(yīng)用
講師簡介：
呂瑋閣 | 浙江大學(xué)光電科學(xué)與工程學(xué)院 高級實(shí)驗(yàn)師
主題簡介：Ansys特邀浙江大學(xué)光電科學(xué)與工程學(xué)院呂瑋閣老師，圍繞國家級一流本科課程《光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)》，分享Zemax軟件在課程教學(xué)、光學(xué)仿真與工程實(shí)踐中的融合應(yīng)用，助力高校光電類專業(yè)打造理論結(jié)合仿真
利用 OAS 光學(xué)軟件，光學(xué)工程師能夠在設(shè)計(jì)階段高效預(yù)測和分析冷反射問題，避免因?qū)嶋H測試發(fā)現(xiàn)問題而導(dǎo)致的設(shè)計(jì)返工，顯著縮短產(chǎn)品研發(fā)周期，降低研發(fā)成本，為制冷型紅外光學(xué)系統(tǒng)的工程化研發(fā)提供了高效可靠的技術(shù)支撐。
華中科技大學(xué)，光電信息工程專業(yè)，法國斯特拉斯堡大學(xué)光學(xué)工程博士。2021年加入Ansys中國?，F(xiàn)負(fù)責(zé) Ansys Speos技術(shù)支持和相關(guān)業(yè)務(wù)開發(fā)工作。
FRED是美國Photon Engineering 公司開發(fā)的光學(xué)工程仿真軟件，其在雜散光分析中獨(dú)特的算法、高效的準(zhǔn)確性，使其與其它同類產(chǎn)品相比更具優(yōu)勢。本案例我們重點(diǎn)講述如何由RPC Photonics的BSDF數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為FRED可識別的散射數(shù)據(jù)。
Photon Engineering堅(jiān)信其光學(xué)工程產(chǎn)品FRED可以幫助加速生物醫(yī)藥界的創(chuàng)新步伐。FRED結(jié)合了直觀的圖形用戶界面和能夠滿足最苛刻要求的強(qiáng)大計(jì)算引擎。
完成仿真的圖示如圖所示。紫色代表照明路徑，橙色代表熒光路徑。
在最新發(fā)布的2026 R1 新版本中，通過簡化的雜散光分析工作流程，Ansys Zemax OpticStudio 與 Ansys Speos for NX 之間強(qiáng)大的光學(xué)設(shè)計(jì)交換 (ODX) 以及實(shí)用的 NEST 容差，推動(dòng)了光學(xué)和光子工程的發(fā)展；Synopsys OptoCompiler與Ansys Lumerical 集成實(shí)現(xiàn)了無縫 PIC 建模、精確的系統(tǒng)仿真以及高效的跨工具協(xié)作，以獲得高保真度結(jié)果
在學(xué)術(shù)和人才培育端，威睛光學(xué)持續(xù)支持全國光學(xué)與光學(xué)工程博士生學(xué)術(shù)聯(lián)賽，致力于推動(dòng)科研成果轉(zhuǎn)化和產(chǎn)學(xué)研融合。這些布局表明，威睛光學(xué)不僅是在做產(chǎn)品，更是在構(gòu)建一套從基礎(chǔ)研究到人才培養(yǎng)、從產(chǎn)品研發(fā)到產(chǎn)業(yè)落地的完整計(jì)算成像生態(tài)系統(tǒng)。
OAS波動(dòng)光學(xué)仿真來助力1個(gè)月前
軟件調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)元件庫與材料數(shù)據(jù)庫，精準(zhǔn)配置膜層、偏振、光敏介質(zhì)參數(shù)，模型幾何結(jié)構(gòu)與光學(xué)特性與實(shí)際工程裝置高度一致。
探測器設(shè)置
在全息記錄平面部署相干場探測器，同步采集振幅、相位、光強(qiáng)與偏振信息，精準(zhǔn)捕獲干涉條紋分布。合理設(shè)置采樣分辨率與接收視場，覆蓋有效記錄區(qū)域，濾除雜散光與系統(tǒng)噪聲。
現(xiàn)代透鏡設(shè)計(jì)、光學(xué)工程和光學(xué)制造，使構(gòu)建更復(fù)雜的創(chuàng)新元件成為了可能，從而能在提高緊湊性的同時(shí)實(shí)現(xiàn)更好的光學(xué)性能。
為什么需要自由曲面光學(xué)？
許多新的光學(xué)系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)小型化，但將多個(gè)透鏡集成在光學(xué)系統(tǒng)中可能會(huì)影響其光學(xué)和圖像質(zhì)量。與球面透鏡相比，自由曲面光學(xué)方法不僅能提供更好的光學(xué)性能，而且還可以減少光學(xué)元件中所需的透鏡、反射器或反射鏡的數(shù)量。
