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上海交通大学联合实验室

光学CAD设计联合实验室

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光学CAD设计联合实验室
时间:2013-02-21 18:12来源:讯技光电作者: 行销部点击:打印
一、目的与意义

随着计算机硬件的发展,特别是个人计算机的迅速发展,作为一种现代化的工具,使其广泛地应用于各种领域,其中很重要的一个部分就是计算机辅助设计。计算机辅助设计技术的应用范畴极为广泛,从航天工业的先进载人工具研发,到显示器背光板注塑成型,都能利用计算机辅助设计技术进行分析与设计。
 
由于竞争的日趋激烈,各企业为了提高自己的竞争力,总是不断推出新产品。但当今新产品的设计,已经摆脱以往单凭『老师傅的一双手』,重复制作产品原型(prototype)再加以测试的模式,而是以先进的模拟设计技术,配合高速计算机计算的能力,迅速验证新产品的规格与性能,如此才能有效率的进入量产,缩短新产品上市的时间。而计算机辅助设计技术已成为各高科技产业研发新产品时的必备流程,通过计算机辅助设计软件,可以大幅度地减少新产品开发的周期,进而缩短新产品上市的前置时间,降低研发成本花费,可实质地将产业从OEM提升到ODM层次,为增加整体市场竞争力的绝对关键,同时也大大提高企业和人才的竞争力。
 
光学系统在现代生活中的作用越来越重要,也越来越多渗透到人们生活的各个方面。光学设计则是世界上最复杂的计算之一,如果没有计算机辅助,一个简单的光学系统也需要很多人,花费很多时间,更不用说复杂的变焦、投影系统了,所以想要不断有新产品出现,是不可能的。幸运的是,我们现在拥有了像FRED、VirtualLab™5、Essential Macleod、LASCAD、GLAD、Sim3D_Max™ FDTD等这样的优秀光学辅助设计软件,在个人计算机上就可以进行光学系统的设计和仿真。
 
能够成功运用光学仿真设计技术的关键有二:一是专业设计人才,二为性能优越的仿真软件。前者设计工程师的培养无法速成,但仿真设计的软件工具的发展,确实已经逐渐成熟,虽然种类与数量不像一般通用软件,如微软公司的Office系列产品,而且价格相当昂贵,但却有其绝对之必要性。目前此类的主要商用工具软件,多数由美国、加拿大公司所研发,虽然只有少数出自德、法、比利时、荷兰等欧洲国家,但欧洲各国的产品与日俱增,正在积极地迎头赶上,足见光学系统在未来产品及市场竞争的重要性。
 
因为任何辅助设计软件都不是“傻瓜”型的,所以专业的设计人才是必要的,而学校则是人才培养的基地。但许多学校因为经费或认识不足,都只是讲解设计理论和设计方法,不能让学生真正进行设计实习,或者很多老师都没有机会接触到正版的辅助设计软件,更别说学生了。其结果是:学生在学校里面不能掌握专业的设计软件和设计方法,感觉所学的与社会上的需要脱节,毕业后不能满足业界的需要,又需要从头学习,削弱了人才的竞争力,增加了学生就业的难度。 因此,只有从现在开始,在高等学校积极推广成熟实用的CAD设计软件,使学生在学校的学习阶段中,就可以将理论学习和实验设计结合起来,一则推广正版软件的使用,二则可以让学生在进入社会以前,就做好了充分的准备,接受正规的设计经验训练,其结果必能提升人才的水平,进而提升整体产业的层次,加强我们在全球化市场上的竞争力。
 
讯技光电科技(上海)有限公司,是中国最专业、历史最悠久的光学CAD软件的代理和服务公司,公司拥有几十种国际上知名光学CAD软件的独家代理权,致力于发展中国的光学CAD事业,培养光学CAD人才。有鉴于以上的考量,以“开阔学生眼界,增强学生社会竞争力,推广光学CAD相关的世界领先技术和设计理念”为宗旨,主要从事光学CAD软件的推广、软件使用培训、软件技术支持和产业设计培训、新产品设计方法等的研究。其目的是将大学的科研成果及科研力量与讯技公司技术开发资源和市场优势进行结合,促进学校的学科建设和人才队伍建设,特别是在促进专业光学CAD软件在国内的使用,为中国培养更多更优秀的光学设计人才,将最新的设计理念、设计方法在中国的推广方面起到十分重要的作用。
 
联合实验室还将为学校日常的光学教学活动、相关课题研究、选修课中计算机软/硬件开发工程和对外进行相关培训等提供辅助设计软件与研究条件,为建立校企联合创立良好的示范作用。『光学CAD联合实验室』的成立,为产、学、研合作探讨了新思路,寻求了一个基于专业大学实验室、着眼于长期合作、产学、研发一体化的新模式。这一模式的建立为国内高技术企业提升核心技术竞争能力,抢占高技术制高点创造了重要条件,同时其它学校提供了新的借鉴模式。联合实验室的成立,对合作双方的长远发展,对推动中国光学CAD教育均具有非常积极的意义。

二、合作方式

国内最具指标性之大学与讯技公司配合,并透过提供优惠的软件资源,来共同建立『光学CAD设计联合实验室』。设立专门的设计实习课程,并在学生的相关课程中加入光学CAD 软件介绍和辅助设计方法等内容。讯技公司还将与学校携手,定期举办光学CAD 技术演讲和讨论活动,并帮助大学为学生提供实习机会,同时也鼓励开发商和加强与学校的交流。

透过联合实验室建立“产品认证中心”,也就是类似微软的MCSE等的认证,并有原厂保证,可以作为个人的软件能力认证,提升软件专业形象。

采取签约方式进行,每一年为一期,透过续约的机制,持续检视过去联合实验室的配合及执行方式有无缺失,加以进行检讨改进,以确保联合实验室之成效。

三、合作产品介绍

VirtualLab™5——统一化光学建模设计与分析平台
 
VirtualLab™是德国LightTrans 开发的一款新型光学仿真和设计软件,它是一个统一化光学建模设计与分析平台,采用场追迹的方式进行光学建模。场追迹作为统一光学系统分析与设计的一种建模技术,超越了光线追迹(Ray tracing),光学系统性能的表征是通过求解简谐波场(Harmonic fields),而不是光线束(Ray bundles)。因此,在对同一个光学系统,场追迹能利用并提供更多的光学信息,它理论上能把几何光学到电磁学(或物理光学)的各种建模技术统一起来,并且实现多种模拟技术的无缝结合,可以根据输入光源和元件的面型、折射率、介质、膜层,实现自动匹配模拟,可以完全胜任现代光学系统的数字模拟仿真工作。基于这些技术,VirtualLab™提供了光学建模中无法超越的灵活性和效率。
 
VirtualLab™作为统一化的光学建模平台,它基于电磁场核心理论,用光路流程图(Light Path Diagram)的表示方法进行建模,光学系统中用到的光源、元件和探测器等可以在光学元件库中灵活调用并进行光学特性编辑。对光学系统的不同媒质区域,可自动选择传输模拟技术,用户也可以自行设置传输方式。目前,VirtualLab™兼容了几何光学、平面波光谱法、Fresnel远场积分、Fourier模式方法、光束传播方法、ABCD矩阵传输等多种模拟技术,其发展目标是把市场上所有的光学建模技术都融汇到VirtualLab™5的建模技术之中。VirtualLab™5的五大工具箱:基本工具箱、光栅工具箱、衍射光学工具箱、激光谐振腔工具箱、照明工具箱铸就了它的强大功能。

Starter Toolbox
 
基本工具箱

VirtualLab™5基本工具箱可以对激光、微光学系统、衍射系统、干涉仪、成像与照明系统进行仿真。光学系统中可以包含折射、衍射、散射、菲涅尔和GRIN透镜DOE、扩散器、光束整形器、衍射光分束器、计算全息、相位器、无定形表面器件和微透镜阵列。基于统一的光学建模,光的传播可以用从几何光学到物理光学的不同传播模式进行建模。
VirtualLab™5对光学系统提供参数优化的功能,比如激光系统,并且在优化过程中综合考虑了衍射、干涉、偏振效应以及像差。
VirtualLab™5独有的自定义功能可以让用户输入方程来定义光学表面图形、光源、透射率和折射率调制的介质。除此之外,不同的导入滤波器可以通过其他软件和测量设备来导入光学表面和激光数据。

Diffractive Optics Toolbox
 
衍射光学工具箱

衍射光学工具箱可以进行衍射光的分束器、扩散器和整形器的设计。这些元件也称为衍射光学元件,计算全息图,相位板或kinoforms。
衍射光分束器可以将一束激光分成一个光束阵列。衍射光扩散器可以让确定光散射成为一个任意的二维图样。扩散器和分束器可以用在相干光源和部分相干光源转化上。
衍射和折射光束整形器可以将相干激光光束的强度图样整形为圆形、矩形高帽、线性或者任意预制的二维光强分布。
VirtualLab™5使用强大的迭代傅里叶变换算法(IFTA)对这些元件进行优化。在典型的光束扩散器和分束器的设计过程中Session editors可以辅助用户完成参数设置。

Grating Toolbox
 
光栅工具箱

VirtualLab™5的光栅工具箱能够对二维、三维光栅以及从纳米到毫米量级的光子晶体进行精确的电磁分析,并且可以计算包括衍射效率、近场效应、偏振、反射率、透过率、吸收率以及光栅内部的电磁场等数值。不同自定义的光栅特征可以对用户自定义的光栅进行分析和优化。自定义的内容包括测量好的高度图形、可编程的高度图形以及允许通过输入方程来描述的高度图形和折射率分布的介质。
除此之外,还可以通过制作表面堆以及均匀和非均匀介质来构建光栅结构。VirtualLab™5强大的优化特征可以对光栅进行全局和局部优化。通过参数分析还可以查看公差容限。

Laser Resonator Toolbox
 
激光谐振腔工具箱

VirtualLab™5激光谐振腔工具箱可以分析稳定腔的本征模式,包括基模、高阶模以及本征值的计算。这种分析方法是基于场追迹的方式,它自动整合了从几何光学到电磁场传播等各种不同的光束传播技术。这样就可以对包含腔内的微结构和衍射光学元件、折射率调制的工作物质的模拟以及任意形状的基模的分析。通过公差模拟可以查看谐振腔的稳定性。
 
激光谐振腔工具箱的显著特征:
 
包含高阶模在内的本征模式分析
 
微结构反射镜与衍射光学元件
 
光束参数, M² 计算和参数分析
 
种类繁多的光学界面与介质
 
支持LASCAD导入谐振腔系统

Lighting Toolbox
 
照明工具箱

照明工具箱使用场追迹分析和设计照明系统,场追迹这个新概念用来应用和强调微结构和衍射光学的集成,使得设计LED光整形和均匀化的紧凑型照明系统更加灵活,以及使其他高度辐射变化的光源照明系统更加方便。
 
照明工具箱是基于光栅、平面镜或者棱镜阵列的光束整形概念,在第一版中只有光栅阵列可用。阵列的每个单元使得光线朝预定的方向传播,并在目标平面上成像为一个光斑,所有阵列单元的光斑在一起形成了理想的光模式。
 
应用从光源到目标平面的场追迹方法来进行分析和设计,并且考虑了光线的反射、折射以及干涉效应。从光源发出的光,例如LED 光,包括颜色、空间和时间部分相干以及偏振都可以进行调制。
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