FRED是一套由美國Photon Engineering公司所開發(fā)出的光學工程仿真軟件。

作為光機一體化的開發(fā)平臺，可以用在光學設計過程中的每一個環(huán)節(jié)，包括最初的概念驗證，整合光學設計和機械設計，對虛擬原型進行全面分析，對模型參數進行快速公差分析和優(yōu)化，以及將供應商的目錄集成到軟件中以供加工和系統(tǒng)調試。它的顯示窗口為3D實體顯示工作平臺，具備快速的光線追跡功能，并且可以同時允許63核CPU進行多線程運算及支持多節(jié)點分布式計算。
 

FRED共有三個版本：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)化功能和分布式計算的功能，計算速度更快；FRED MPC除了有Optimum版本所有的功能外，還能利用GPU進行計算，其計算速度是其他兩個版本的100倍！

應用領域 

FRED 運用的領域非常廣泛，只要是幾何光學可分析的系統(tǒng)皆可使用 FRED 來分析、模擬。常見的應用領域為：照明系統(tǒng)、導光管、投影系統(tǒng)、激光、干涉、雜散光、鬼影分析、生物醫(yī)學、其它光學系統(tǒng)原型之系統(tǒng)設計等等，無論是簡易或是復雜的成像與非成像系統(tǒng)結構，FRED都可以準確的建構及分析。

功能特性

? 序列與非序列光線追跡

? 全面透析光機系統(tǒng)設計 

? 照明與非成像系統(tǒng)設計

? 雜散光與鬼像分析

? 相干光束傳播模擬 

? 成像系統(tǒng)設計和實際場景渲染

? 自發(fā)熱輻射分析

? 公差分析與系統(tǒng)調試

FRED主要功能  

? 可進行PSF、MTF、點列圖、三階像差、光程差、雜散光路徑、重點采樣、鬼像、PST與關鍵被照面、衍射、冷反射、紅外熱成像分析。

? 真實三維模型渲染和實時顯示窗口，可以直觀快速的找到整機裝配中不匹配等常見問題。

? 可分析光學系統(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，光線追跡數量數沒有限制。

? 可支持63核CPU的多線程運算能力，并支持分布式計算。

? 擁有內置混合優(yōu)化功能，擁有fractional weighting、Pickup功能以鏈接變量，可進行局部和偽全局優(yōu)化，可內建或從CAD導入的NURB表面進行優(yōu)化，可大大減輕照明等領域的設計中繁重的工作量，支持多重結構的優(yōu)化。

? 支持VB腳本編程，包含非常多的命令語言?？芍С謩?chuàng)建和修改幾何模型、光源、鍍膜、材料、散射模型以及進行光線追跡和計算分析，實現功能擴展。

? 14+BSDF散射模型，可用來仿真機械元件的表面散射，每個元件可賦予多個散射模型，所有的這些散射模型混合可形成成千上萬的散射模型，支持散射數據的導入和擬合，并可模擬透鏡表面粗糙度。

? 無級次限制的衍射光柵效率計算。

? 用數字化取樣工具可提取散射、材料、模型、膜層、光譜的數據信息

? 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、光學元件內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使用高斯分解技術仿真相干及衍射光學系統(tǒng)，任何復雜的光場可以分解為高斯光束，這個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，使光源更符合實際情況，并可以模擬部分相干光。

? 多軟件接口，可導入其他光學軟件（Zemax、CodeV、OSLO、ASAP）進行整個光機系統(tǒng)性能評價，可直接導入著名的薄膜設計軟件Essential Macleod、Optilayer設計數據。

? 可以導入CAD 模型并修改其參數和光學性質，并且導入無破損。

? 可與FDTD Solutions 的矢量場數據交換，來處理宏光學系統(tǒng)和微結構光學。

? COM服務器/客戶端支持與Matlab、Excel、C++、VB、C# 等程序相互調用。

? 使用“Bird Simple Spectral Model”模擬太陽光在不同位置、不同時間以及一系列環(huán)境因素如大氣氣溶膠厚度、大氣可降水量、表面壓強等對接受面照度影響。

? 支持實時的動態(tài)結果可視化

? 分析面支持平面與三種非平面（球面、柱面、圓錐面）的數據分析。

應用舉例

光機系統(tǒng)設計

FRED可以在它的3D窗口中添加各種光學元件，如透鏡/棱鏡/偏振片/分光鏡等，光源可選類型豐富。不僅如此，除了光學系統(tǒng)的建模，用戶甚至可以將機械系統(tǒng)一并整合到FRED中來，并對其光學特性進行針對性的分析和計算，非常接近于真實的系統(tǒng)。

如下圖所示是馬克蘇托夫望遠鏡系統(tǒng)，其設計原理為折反射望遠鏡（面鏡-透鏡），設計目的為設計原理為折反射望遠鏡（面鏡-透鏡），設計目的為減少離軸的像差，如彗形像差等。

該系統(tǒng)中的光學元件包括：彎月校正鏡、主反射鏡、次反射鏡、對角棱鏡、普羅素目鏡等。

照明和非成像系統(tǒng) 
 

可以對光源反射罩或組合透鏡的面型進行優(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，FRED還可以導入光源的光線文件，生成光線分布列表，快速建立自定義光源。

? 反射罩的設計和優(yōu)化

左圖是一個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，可以針對所需的度量量設置變量、評價函數、優(yōu)化方法等，對反射罩的面型、位置等參數進行優(yōu)化。下圖所示的是優(yōu)化前后探測面的照度分布。

? 顏色分析

選擇Color Image可以看到真實的彩色圖像，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。并對導入的模型進行修改，讓使用者在設計上更自由、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入，準確地定義LED光源。

? 數字化轉換器

? 對光譜圖進行數字化轉換，可以導入生成波長列表導入光源。

? 2D的機械渲染圖可以進行數字化轉換，生成精確的幾何模型。

? 圖形數字的功能還可以應用于鍍膜、材料、散射中。

雜散光分析

FRED 可以用來建構任何復雜的結構，并提供給詳細的分析結果，也可以精確地模擬出涂黑漆所產生的雜散光效應，看到雜散光的形成及其路徑，還可以將雜散光的分析結果分類，導出所需的報表或圖形格式。

? 雜散光的來源

FRED內置了14種散射模型，包括Lambertian、Harvey-Shack、ABg、Mie、Black Paint、K相關系數、scripted scatterd等，并且支持用戶自定義特殊的散射模型（VB腳本）。

? Importance Sampling(重點采樣)

處理大量的光線時，FRED可以針對性的對散射光線進行追跡，大大提高追跡的效率。


FRED處理離軸光源發(fā)射的光線與鏡筒內壁產生的散射問題

? 雜散光報告（Stray Light Report）

FRED可以生成詳細的雜散光報告，分析所需的光線路徑和成因，對雜散光進行準確快速的分析。

雜散光和鬼像分析報告

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“相干標量場分析”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，由準直相干光源、分束鏡、平面反射鏡、壓電式微反射鏡陣列、探測分析面等元件組成。


 

相干光場再現

FRED的相干場重新采樣特性可以解決相干光線的誤差，通過在一個擴展的空間領域再現當前的標量場，并生成一系列新的相干光線。下圖是對馬赫-曾德干涉儀的相干場的再現分析。

基模及高階模高斯光束傳播分析
 

FRED對分析面的方向設置無限制，因此可以計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，我們可以實時的查看干涉圖樣的變化。

衍射仿真
 

FRED能夠模擬計算孔徑、擋板和葉片等產生的衍射效應和對光機系統(tǒng)的影響，使得對于光機系統(tǒng)的模擬更接近現實。下圖是Cassegrain 望遠鏡的第二主鏡和支持結構等形成的衍射效應的分析

生物醫(yī)學

FRED光學工程軟件是目前最靈活和準確的光機系統(tǒng)設計和分析軟件。滿足了很多生物醫(yī)學光學機構的應用需求，可以建立包括以下模型：

? 內窺鏡                                                 

? 體層計算掃描

? 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據，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膜，進行眼視系統(tǒng)的準確分析。

視網膜成像 眼球建模

? 人體皮膚模型

FRED中的材料屬性中，可以對其體散射進行設定，內置了包括Henyey-Greenstein體散射在內的多種模型可選。

紅外成像
 

FRED可以很容易的使用圖形用戶界面及內置的腳本語言實現熱輻射和熱成像，利用輻射測量技術，可以在很短的時間內準確的執(zhí)行熱成像、冷反射、熱照度均勻性、自發(fā)熱輻射。如上圖所示是一個熱茶壺不同的輻射系數及不同的表面溫度分布透過單透鏡成像在探測器上的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，并且自動計算出不同位置和角度對應的耦合效率關系。如下圖是球形透鏡光纖耦合系統(tǒng)和效率對位置的關系圖。對于更復雜的光纖（如漸變折射率）和光源，如果知道折射率分布和光源信息，可以定義詳細光源和腳本構建漸變折射率材料，并且軟件帶有多種類型的漸變折射率模型。

FRED近場衍射
 

FRED可以模擬近場衍射效應，如下圖例子中干涉圖樣。

   

FRED偏振和雙折射
 

FRED可以設置雙折射材料、極化光源和偏振片等，并且可以模擬偏振干涉現象。如下圖是紅寶石激光經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 高級版本。它包含了內置的混合優(yōu)化模塊，并且擁有利用當今計算機高性能的多核處理器來增強光線追跡的能力。 

FRED Optimum 的混合優(yōu)化不同于透鏡設計軟件的優(yōu)化。FRED 的新混合全面優(yōu)化運算是非序列性的。允許多個變量同時優(yōu)化，擁有 fractional weighting 性能以連接變量和利用多種內置優(yōu)化函數，加上用戶自定義的腳本可以應對特殊需要。混合運算擁有對在 FRED 中直接內建的或者從 CAD 軟件中導入的NURBS 表面進行全面優(yōu)化的能力。優(yōu)化方案允許用戶完全地控制變量、優(yōu)化函數和優(yōu)化方法，可以解決復雜的照明設計問題。 

FRED內置優(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、精確的顯示光機光線追跡和分析的結果，運算速度有很大的提升。FRED MPC可以使用GPU核心進行線性縮放，可以進行基于GPU的分布式計算，也可以進行3D模型的渲染。

BASIC腳本編輯功能

FRED有一內建模塊---BASIC腳本語言，超過了1500+的腳本命令可以更好地擴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、散射模型以及進行光線追跡和計算分析，這些都有用戶自定義的腳本模板。此外，客戶端-服務器自動化使用COM可以實現FRED與Microsoft Excel和Matlab軟件的相互調用。FRED圖形用戶界面和BASIC腳本語言相結合則意味著軟件的功能可以應用于更廣的領域。