FRED 光学工程仿真软件

FRED是一套光学工程仿真软件。作为光机一体化的开发平台，可以用在光学设计过程中的每一个环节，包括最初的概念验证，整合光学设计和机械设计，对虚拟原型进行全面分析，对模型参数进行快速公差分析和优化，以及将供应商的目录集成到软件中以供加工和系统调试。它的显示窗口为3D实体显示工作平台，具备快速的光线追迹功能，并且可以同时允许127核CPU进行多线程运算及支持多节点分布式计算。此外，我们于2019年发布了FREDMPC版本，可以使用GPU加快光线追迹速度。

功能特性

• 序列与非序列光线追迹
• 全面透析光机系统设计 
• 照明与非成像系统设计
• 杂散光与鬼像分析
• 相干光束传播模拟 
• 成像系统设计和实际场景渲染
• 自发热辐射分析
• 公差分析与系统调试

应用举例 

光机系统设计

FRED可以在它的3D窗口中添加各种光学元件，如透镜/棱镜/偏振片/分光镜等，光源可选类型丰富。不仅如此，除了光学系统的建模，用户甚至可以将机械系统一并整合到FRED中来，并对其光学特性进行针对性的分析和计算，非常接近于真实的系统。

如图所示是马克苏托夫望远镜系统，其设计原理基于折反射望远镜（面镜-透镜），设计目的为减少离轴的像差，如彗形像差等。

该系统中的光学元件包括：弯月校正镜、主反射镜、次反射镜、对角棱镜、普罗素目镜等。

照明和非成像系统 

可以对光源反射罩或组合透镜的面型进行优化，使得能够在分析面上得到所需的照度分布，而且FRED可以生成照度分布图，便于直观的了解。另外，FRED还可以导入光源的光线文件，生成光线分布列表，快速建立自定义光源。

• 反射罩的设计和优化

• 颜色分析

• 兼容度高

FRED可与LED厂商在线提供的IGES格式、STEP格式文件兼容。并对导入的模型进行修改，让使用者在设计上更自由、灵活。并可支持科锐、欧司朗、飞利浦照明等多种光源文件的导入，准确地定义LED光源。

• 数字化转换器

1. 对光谱图进行数字化转换，可以导入生成波长列表和导入光源。
2. 2D的机械渲染图可以进行数字化转换，生成精确的几何模型。
3. 图形数字的功能还可以应用于镀膜、材料、散射中。

杂散光分析

FRED 可以用来建构任何复杂的结构，并提供给详细的分析结果，也可以精确地模拟出涂黑漆所产生的杂散光效应，看到杂散光的形成及其路径，还可以将杂散光的分析结果分类，导出所需的报表或图形格式。

• 杂散光的来源

FRED内置了14种散射模型，包括Lambertian、Harvey-Shack、ABg、Mie、Black Paint、K相关系数、scripted scatterd等，并且支持用户自定义特殊的散射模型（VB脚本）。

• mportance Sampling(重点采样)

处理大量的光线时，FRED可以针对性的对散射光线进行追迹，大大提高追迹的效率。

FRED处理离轴光源发射的光线与镜筒内壁产生的散射问题

• 杂散光报告（Stray Light Report）

FRED可以生成详细的杂散光报告，分析所需的光线路径和成因，对杂散光进行准确快速的分析。

杂散光和鬼像分析报告

生物医学

FRED光学工程软件是目前最灵活和准确的光机系统设计和分析软件。满足了很多生物医学光学机构的应用需求。

• 人眼模型

FRED中的分析面不仅仅局限于平面，还可以在球面采集分析数据，生成直观的3D视图。利用此特性，在FRED中可以模拟人眼的视网膜，进行眼视系统的准确分析。

眼球建模视网膜成像

• 人体皮肤模型

FRED中的材料属性中，可以对其体散射进行设定，内置了包括Henyey-Greenstein体散射在内的多种模型可选。

皮肤的体散射追迹效果人手模型

红外成像

FRED可以很容易的使用图形用户界面及内置的脚本语言实现热辐射和热成像，利用辐射测量技术，可以在很短的时间内准确的执行热成像、冷反射、热照度均匀性、自发热辐射。如上图所示是一个热茶壶不同的辐射系数及不同的表面温度分布透过单透镜成像在探测器上的2D照度图。

FRED Optimum

FRED Optimum 是 FRED 高级版本。它包含了内置的混合优化模块，并且拥有利用当今计算机高性能的多核处理器来增强光线追迹的能力。 

FRED Optimum 的混合优化不同于透镜设计软件的优化。FRED 的新混合全面优化运算是非序列性的。允许多个变量同时优化，拥有 fractional weighting 性能以连接变量和利用多种内置优化函数，加上用户自定义的脚本可以应对特殊需要。混合运算拥有对在 FRED 中直接内建的或者从 CAD 软件中导入的NURBS 表面进行全面优化的能力。优化方案允许用户完全地控制变量、优化函数和优化方法，可以解决复杂的照明设计问题。 

FRED MPC

FRED MPC 是 Photon Engineering 的 FRED 光学工程软件包的一个版本，允许使用 GPU 执行光线生成、光线追迹和分析，这是PhotonEngineering公司持续投资利用尖端技术进行快速、辐射测量精确的光机械光线追迹和分析的结果。

GPU 硬件技术（其中NVIDIA是行业领导者）允许将数千个并行运行的处理单元包含在单个工作站中。GPU硬件（和软件）正在迅速发展，具有高度可扩展性,并且与基于可分发 CPU 的网络相比,入门成本相对较低。 通过简单地在PC中添加或升级GPU， 使用GPU执行光线追迹和分析的速度可以比传统的多线程CPU快几个数量级。 FRED MPC 不是一个独立的产品，它是 FRED 和 FRED Optimum 现有功能的扩展。FRED 的所有建模、光线追迹和分析功能都能以相同的方式应用，此外,可以根据要求在GPU上选择性地执行光线追迹和分析。

FRED各个版本的特色：