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FRED Optimum Software Optical Simulation

Die Stärke der FRED Optical Design Software liegt in der nicht-sequenziellen Simulation durch komplexe Systeme.

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Axel Haunholter
Sales & Marketing
+49 8153 405-32
a.haunholter@laser2000.de
Produktanfrage: FRED Optimum Software Optical SimulationX



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Andreas Bichler
Sales & Marketing
+49 8153 405-48
a.bichler@laser2000.de
Produktanfrage: FRED Optimum Software Optical SimulationX



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FRED Optimum 3D-CAD-Optiksoftware

 
FRED ist ein in der Optikentwicklung sehr breit einsetzbares Simulationstool. Im Gegensatz zu klassischen Linsen-Design-Tools, in denen vorwiegend sequenziell simuliert wird, liegt die Stärke von FRED in der nicht-sequenziellen Simulation durch komplexe Systeme (d. h. von der Strahlquelle bis zur Abbildungsebene oder zum Detektor). Auch sequenzielles Raytracing ist bei Bedarf möglich und erlaubt diskrete Analysen einzelner optischer Pfade. Der große Einsatzbereich und die 3D-Darstellung machen es zu einem flexiblen Simulationswerkzeug für unerfahrene Anwender ebenso wie für erfahrene Spezialisten.

Klassische Anwendungsfelder

  • Abbildungs- und Beleuchtungs-Systeme
  • Simulation von Laserlicht (kohärentes Licht)
  • Streulicht- und Ghost-Analyse
  • Optimierung Ihrer Systeme (mit Optimierungsfunktion)

User-Interface
Das User-Interface von FRED ist angelehnt an CAD-Software-Tools. Es ist sehr intuitiv und wird nach dem Feedback der Kunden ständig weiterentwickelt. Die Möglichkeit, den Strahlverlauf sofort sehen zu können und auch Auswertungen an Analyse-Flächen schnell zu visualisieren, kann sowohl in der Entwicklung als natürlich auch im Gespräch mit den späteren Kunden von großem Nutzen sein. 
Ein neues Feature ist der Export des Strahlverlaufs in die Dateien für CAD-Tools (step.- / iges.-Format). Dies ermöglicht den Mechanik-Ingenieuren kompakte Gehäuse, etc. um den Strahlverlauf herum zu konstruieren (siehe Abb. 1).
 
 Graphische Oberfläche Simulation
Abb. 1: Screenshot GUI

Lichtquellen
Im Gegensatz zu vielen anderen Tools können Sie in FRED sowohl Laser-Licht als auch inkohärentes Licht (LEDs, Fluoreszenzlampen, etc.) simulieren.
 
Sie können jede real denkbare Lichtquelle mit u.a. folgenden Parametern definieren: 
 
  • Strahlpositionen und -richtungen
  • Leistungsverteilung über Winkel- und Positionsbereiche
  • Einheiten der Leistung (Watt, Lumen, arbiträr)
  • Spektralbereich
  • Spektrale Gewichtung
  • Kohärenz
  • Polarisation
 
Folgende Skizze soll zeigen, dass Sie auch über einfache Bitmaps (z. B. eingescannte Datenblätter) die spektrale Charakteristik und die Abstrahl-Charakteristik einer z. B. selbsterstellten Lichtquelle digitalisieren und somit definieren können (siehe Abb. 2). Diese Digitalisierungsfunktion steht ebenfalls für Coatings, Brechungsindizes von Materialien und viele weitere Definitionsfelder in FRED zur Verfügung.
 
Lichtquelle Optiksimulation
Abb. 2: Definition einer Lichtquelle über das Digitalisieren von Datenblättern

Laser-Anwendungen 
FRED ist in der Lage, nahezu alle Laser-Aspekte zu simulieren. Auch zeitliche Aspekte wie Dispersion bei Ultrakurzpulslasern und Wellenfront-Verschiebung können in FRED per Script 
simuliert werden. Die Kopplung in die Fasern kann ebenfalls sehr gut simuliert und optimiert werden. Einschränkungen gibt es bei der Laser-Propagation in sehr kleinen Fasern.
Abbildung. 3 zeigt die Simulation von Beugungseffekten.
 
Mögliche Strahlquellen:
 
  • Plane Wellenfronten als Abstrahlquelle
  • Runde/gewölbte Wellenfronten als Abstrahlquelle
  • Gauß’sche Laserquellen (mit verschiedenen Modenqualitäten)
  • astigmatische Gauß’sche Laser (mit verschiedenen Modenqualitäten)
  • Lambert-Strahler uvm.
 
Wichtige Anwendungen und Aspekte, die simuliert werden können:
 
  • Polarisationseffekte
  • Beugung an Aperturen, Schlitzen, Kanten, etc.
  • Doppelbrechende Materialien
  • Interferometrie / Interferogramme
  • Laser-Ranging / Faser-Kopplung
  • Wellenfront-Zerlegung / Partielle Kohärenz
Beugung am Spalt
Abb. 3: Beugung an dreieckiger Apertur
Auswertung von Koppeleffizienzen Koppeleffizienzen können sehr gut mit FRED simuliert und optimiert werden. Auch die Auswertung der Koppeleffizienz steht in FRED automatisiert zur Verfügung (siehe Abb. 4).
 
Simulation Kugellinse
Abb. 4: Koppeleffizienz einer Kugellinse

Partielle Kohärenz
Wenn Sie z.B. partiell kohärente Lichtquellen simulieren wollen, so ist dies per Skript möglich. Auch die Auswertung der Kohärenz am Target ist möglich. Das Beispiel des Diffraktometers (siehe Abb. 5) kann schnell und einfach in FRED simuliert werden.
 

Linsensystem-Simulation

Abb.5: Partielle Kohärenz am Beispiel einer Diffraktometer-Simulation 

 
Ebenfalls sind auch komplette Interferometer (Fabry-Perot, Fizeau, etc.) bereits als Beispiel-Files enthalten und können nach Ihren Vorstellungen abgeändert bzw. erweitert werden (siehe Abb. 6). 
 
FRED-Interferenzsimulation-6.JPG
Abb. 6: Interferenzmuster in der Live-Ausgabe im User-Interface Gittermodell einer LED
 
Das Interferenzmuster kann natürlich genau analysiert und bei Änderungen stets aktualisiert werden. Auch Farbdarstellungen auf der Analyse-Oberfläche sind einstellbar.
 
LED-Systeme
LED-Systeme mit FRED sind sehr einfach zu erstellen. Die meisten LED-Hersteller bieten kostenlos sowohl die Geometrie-Daten als auch die Strahldaten (sogenannten „Ray-Files“) der LED kostenlos zum Download an. Die Datenbank von FRED wird in Zukunft mit den gängigsten LED-Typen gefüllt sein.
 
Die Vorgehensweise für den LED-Import ist folgendermaßen
 



Mit diesen zwei Schritten ist die wesentliche Arbeit getan. Die variable Positionierung der LED bzw. Anordnung in Arrays, etc. kann natürlich jederzeit vorgenommen werden.
 
Kompatibilität
Die Kompatibilität zu zahlreichen Optikdesign-Programmen und CAD-Programmen (Export/Import von STEP.- / IGES.-Files) ist gewährleistet. Sollten Sie spezielle Programme haben, die Sie als unbekannt einstufen, können wir jederzeit einen Test-Import für Sie vornehmen.

Eine umfassende Datenbank an optischen Elementen, Flächenfunktionen, Materialien und Beschichtungen bieten darüber hinaus die Möglichkeit, schnell und einfach die meisten Elemente selbst zu erstellen. Die in FRED integrierten Streulicht-Modelle erlauben es, selbst erstellte oder importierte Objekte realitätsnah zu definieren. Einflüsse mechanischer Elemente (z.B. Oberflächenreflexionen bzw. Lichtstreuung durch Gehäuse, Halterungen, Fassungen) können bei der Streulichtanalyse und Berechnung optischer Systeme schnell und exakt untersucht werden.
 
Streulicht-Anwendungen mit FRED
Mit FRED können Sie eine Vielzahl von Streulicht-Effekten realistisch simulieren und auf bestimmte Zielvorgaben optimieren. Sie haben dabei die Möglichkeit, verschiedene Oberflächen-Streulicht-Modelle und auch Streuung im Volumen zu definieren.
 
Oberflächen-Streulicht-Modelle
FRED bietet so viele integrierte Streulicht-Modelle wie sonst kein anderes Tool auf dem Markt. Sie haben die Möglichkeit, folgende Modelle genau zu parametrisieren und können mehrere Modelle gleichzeitig auf entsprechenden Oberflächen anwenden.

Oberflächen-Streulicht-Modelle

  • Lambertian 
  • Harvey-Shack
  • ABg
  • Phong
  • Diffuse Black Paint
  • Partikel-Streuung (Mie)
  • Diffuse Polynomial
  • Diffuse Binomial
  • Tabulated BSDF
  • Tabulated PSD
  • K-Correlation
  • User-Scripted (Basic)
 
Sie haben dabei unterschiedliche Möglichkeiten der Dateneingabe. Sie können entweder die Streulicht-Daten (z.B. im BSDF-Format) digitalisieren. Dazu können Sie den Digitizer nutzen und z.B. gescannte Datenblätter schnell erfassen. Sie haben auch die Möglichkeit, selbst definierte Streulicht-Modelle als Plot auszuwerten und auf Sinnhaftigkeit zu überprüfen (siehe Abb. 7).
 
FRED-BSDF-Daten-7.JPG

Abb. 7: Plot verschiedener BSDF-Daten

Volumen-Streulicht-Modelle

Bei der Definition der Materialien können Sie neben den optischen Parametern wie z.B. Brechungsindex, Transmission und Absorption auch ein Volumen-Streulicht-Modell definieren. Hier können Sie das gängige Henyey-Greenstein-Modell oder ein eigenes skriptbasiertes Modell hinterlegen. Durch Eingabe des sogenannten G-Parameters (wellenlängenabhängig definierbar) bewirkt das Modell u.a. die in folgender Abb. 8 gezeigten Streulicht-Effekte.

 
 FRED-G-Faktor-Modell-8.JPG

Abb. 8: Wirkung des G-Faktors im Henyey-Greenstein-Modell

Kombination Oberflächen- und Streulicht-Modelle
FRED kann multiple Streulicht-Modelle (auch mehrere Modelle auf einer Oberfläche) simulieren. In einigen Fällen kann es notwendig sein, auch Oberflächen-Streulicht-Effekte im Volumen zu simulieren (z.B. Mie-Partikel-Streuung in bestimmten Gasen/Flüssigkeiten). Dies ist über die Scripts (Basic) programmierbar.
 
Gitter und thermische Selbst-Emission
Auch Gitter-Strukturen (lineare Gitter oder XY-Polynome mit asphärischen Termen) können in FRED bequem simuliert werden. Sie haben die Möglichkeit, Beugungsordnung, Phasen-Shift, Wellenlängen-Effizienzen und viele weitere Optionen zu definieren. Per Skript können Sie nicht nur auf alle Funktionen des GUIs zugreifen, Sie können auch noch weitere Effekte programmieren. Es können z.B. zeitabhängige oder z.B. thermische Effekte in die Simulationen einfließen. Auch Client-/Server-Automationen mit Programmen wie Matlab, Excel oder FTDT-Programmen sind möglich.
 
FRED-Thermische-Selbst-Emission-9.JPG
Abb. 9: Thermische Selbst-Emission und PST-Auswertung in Microsoft Excel
Effizienz der Simulationen Um die Effizienz der Simulationen von Streulicht-Effekten zu erhöhen, gibt es mehrere Möglichkeiten. Grundsätzlich hat die Simulation von Streulicht die Generierung vieler zusätzlicher Streulicht-Pfade teilweise mit relativ geringen Energien pro Strahl zur Folge. Hier können Sie Energie-Cut-Off-Levels oder eine Begrenzung der „Tochterstrahlen“ für die Simulation definieren (siehe Abb. 10). Mit wenigen Klicks können Sie hier allgemeine Optionen einstellen. Pro Oberfläche können Sie sogar noch spezifische Einstellungen vornehmen. 
 
FRED-Raytrace-10.JPG
Abb. 10: Screenshot Raytrace-Control-Menu
Ein weiteres Tool zur Effizienzsteigerung ist die Scatter-Importance-Sampling-Funktion.
 

FRED-Streuungssimulation-11.JPG

Abb. 11: Gerichtete Streuung mittels Scatter-Importance-Sampling
Diese Funktion streut die Strahlen in der Simulation in die „Region of Interest“ (mehrere Optionen wählbar). Energie-Werte und Richtung der gestreuten Strahlen werden dabei korrekt simuliert (siehe Abb. 11). So wird ein „Aufblähen“ der Anzahl der Strahlen in der Simulation vermieden und Sie sparen wertvolle Simulations-Zeit.
 
Analyse der Streulicht-Verhältnisse Mit dem Streulicht-Report in FRED können Sie sehr schnell eine Übersicht über die relevanten optischen Pfade gewinnen. Nach Definition der relevanten Receiver- bzw. Detektor-Oberfläche (also die Stelle, an der Sie das Streulicht messen würden), können Sie sowohl die Ghost-Pfade als auch die Scatter-Pfade anzeigen lassen. In folgender Maske wählen Sie die Optionen und erhalten als Ausgabe-Wert die Liste der Pfade mit Auswertung der Energie und Beschreibung des Pfades. 
 
FRED-Streulichreport-12.JPG
 Abb. 12: Streulicht-Report

Sie können per Mausklick die einzelnen Pfade nochmal separat in der Live-Ausgabe im User-Interface anzeigen lassen, um sich ein echtes „Bild“ über Ort und Verlauf der Pfade zu machen (siehe. Abb. 13).
 

FRED-Simulations-Streulichtpfade-13.JPG

Abb. 13: System mit allen Strahlen und nach Auswahl einzelner Streulicht-Pfade

Ein weiteres Feature ist, dass Sie an der Analyse-Oberfläche per Maus die Ghost-Strukturen auswählen und daraufhin die entsprechenden „verantwortlichen“ Pfade anzeigen lassen können.

 
Analysen 
Die Lichtquellen in FRED können Sie sowohl in radiometrischen als auch in photometrischen Einheiten definieren. Das Spektrum der Lichtquelle kann entweder manuell definiert, gesampled oder per Datenblatt digitalisiert werden. Lichtintensität (Illuminance) and Beleuchtungsstärke (Luminous Intensity) können mittels einfach zu bedienender Analyse-Funktionen ausgewertet werden (siehe Collage Abb. 14). 
Die Detektor-Empfindlichkeit bzw. das Detektor-Verhalten kann ebenfalls eingestellt werden und zum Beispiel dem menschlichen Auge nachgebildet werden. Farb-Analysen sowie Farb-Optimierungen nach Ihren Vorgaben sind somit möglich. Im Live-Ausgabe-Fenster können die Ergebnisse der Farb- oder Intensitätsanalysen sichtbar gemacht werden (siehe Abb. 14). 
Somit sind Sie in der Lage, intern wie extern, z. B. beim Kunden, eine genaue Vorstellung von den zu erwartenden Resultaten Ihrer Konstruktion zu präsentieren.
 
 FRED-Analyse-Beleuchtungsstärke-14.JPG

Abb. 14: Analyse der Beleuchtungsstärke einer Gartenlampe

Photorealistisches Rendering


Soweit die optischen Parameter richtig definiert sind, können Sie mit FRED photorealistische Szenen über das User-Interface rendern. Optische Qualitäten von z. B. abbildenden Systemen können so sehr schnell auf Funktionalität getestet werden.

Sehr häufig sind bei dieser Art Anwendung die Strahlquellen sogenannte Bitmap-Emitter. Das heißt, Ihr gescanntes Bild wird als Strahlquelle definiert und leuchtet sozusagen in Richtung der Optiken. Die Funktionen wie das Importance-Sampling (gerichtete Streulicht-Simulation) und Reverse-Raytracing erlauben Ihnen dabei eine effiziente und somit schnelle Simulation.
bbildung 15 (reflektierende Kugeln) zeigt sehr deutlich die Möglichkeit, Reflexionen winkelabhängig und mit unterschiedlichen Oberflächen-Eigenschaften (matt, glänzend, etc.) exakt wiederzugeben.

FRED-Rendering-15.JPG
Abb. 15: Photorealistisches Rendering an reflektierenden Kugeln

Optimierungsfunktion
Die in FRED Optimum enthaltene Optimierungsfunktion ermöglicht die Verbesserung Ihres optischen Systems nach Ihren Vorgaben. Ihre Vorgaben, die sogenannten Zielfunktionen, können Sie aus dem User-Interface auswählen oder, falls dort noch nicht vorhanden, selbst definieren. Sie haben die Möglichkeit, jeden in FRED zu definierenden optischen Parameter als Variable für die Optimierung zu setzen. Die Anzahl der möglichen Variablen in FRED ist unbegrenzt.
 

FRED-Reflektor-Optimierung-16.JPG

Abb. 16: Optimierung am Beispiel eines Reflektors

Lizenz-Modelle
Der Kauf von FRED erfolgt über den einmaligen Erwerb einer oder mehrerer Lizenzen. Laufende Kosten oder weitere Lizenzgebühren sind für den Betrieb der Software nicht notwendig. Der Kauf einer Software-Lizenz beinhaltet zwölf Monate Support und Updates. Weiterer Support und Updates nach dem ersten Jahr sind optional erhältlich und werden empfohlen, sind jedoch für die Verwendung von FRED nicht zwingend erforderlich. Zu Testzwecken kann jederzeit eine kostenlose Demoversion (eingeschränkte Funktionalität!) bezogen werden.

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