一、目的與意義
隨著計(jì)算機(jī)硬件的發(fā)展，特別是個(gè)人計(jì)算機(jī)的迅速發(fā)展，作為一種現(xiàn)代化的工具，使其廣泛地應(yīng)用于各種領(lǐng)域，其中很重要的一個(gè)部分就是計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)的應(yīng)用范疇極為廣泛，從航天工業(yè)的先進(jìn)載人工具研發(fā)，到顯示器背光板注塑成型，都能利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行分析與設(shè)計(jì)。
由于競爭的日趨激烈，各企業(yè)為了提高自己的競爭力，總是不斷推出新產(chǎn)品。但當(dāng)今新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，已經(jīng)擺脫以往單憑『老師傅的一雙手』，重復(fù)制作產(chǎn)品原型(prototype)再加以測試的模式，而是以先進(jìn)的模擬設(shè)計(jì)技術(shù)，配合高速計(jì)算機(jī)計(jì)算的能力，迅速驗(yàn)證新產(chǎn)品的規(guī)格與性能，如此才能有效率的進(jìn)入量產(chǎn)，縮短新產(chǎn)品上市的時(shí)間。而計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)已成為各高科技產(chǎn)業(yè)研發(fā)新產(chǎn)品時(shí)的必備流程，通過計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件，可以大幅度地減少新產(chǎn)品開發(fā)的周期，進(jìn)而縮短新產(chǎn)品上市的前置時(shí)間，降低研發(fā)成本花費(fèi)，可實(shí)質(zhì)地將產(chǎn)業(yè)從OEM提升到ODM層次，為增加整體市場競爭力的絕對關(guān)鍵，同時(shí)也大大提高企業(yè)和人才的競爭力。
光學(xué)系統(tǒng)在現(xiàn)代生活中的作用越來越重要，也越來越多滲透到人們生活的各個(gè)方面。光學(xué)設(shè)計(jì)則是世界上最復(fù)雜的計(jì)算之一，如果沒有計(jì)算機(jī)輔助，一個(gè)簡單的光學(xué)系統(tǒng)也需要很多人，花費(fèi)很多時(shí)間，更不用說復(fù)雜的變焦、投影系統(tǒng)了，所以想要不斷有新產(chǎn)品出現(xiàn)，是不可能的。幸運(yùn)的是，我們現(xiàn)在擁有了像VirtualLab Fusion、FRED、Essential Macleod、LASCAD、GLAD、 OptiWave、JCMsuite等這樣的優(yōu)秀光學(xué)輔助設(shè)計(jì)軟件，在個(gè)人計(jì)算機(jī)上就可以進(jìn)行光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和仿真。
能夠成功運(yùn)用光學(xué)仿真設(shè)計(jì)技術(shù)的關(guān)鍵有二：一是專業(yè)設(shè)計(jì)人才，二為性能優(yōu)越的仿真軟件。前者設(shè)計(jì)工程師的培養(yǎng)無法速成，但仿真設(shè)計(jì)的軟件工具的發(fā)展，確實(shí)已經(jīng)逐漸成熟，雖然種類與數(shù)量不像一般通用軟件，如微軟公司的Office系列產(chǎn)品，而且價(jià)格相當(dāng)昂貴，但卻有其絕對之必要性。目前此類的主要商用工具軟件，多數(shù)由美國、加拿大公司所研發(fā)，雖然只有少數(shù)出自德、法、比利時(shí)、荷蘭等歐洲國家，但歐洲各國的產(chǎn)品與日俱增，正在積極地迎頭趕上，足見光學(xué)系統(tǒng)在未來產(chǎn)品及市場競爭的重要性。
因?yàn)槿魏屋o助設(shè)計(jì)軟件都不是“傻瓜”型的，所以專業(yè)的設(shè)計(jì)人才是必要的，而學(xué)校則是人才培養(yǎng)的基地。但許多學(xué)校因?yàn)榻?jīng)費(fèi)或認(rèn)識(shí)不足，都只是講解設(shè)計(jì)理論和設(shè)計(jì)方法，不能讓學(xué)生真正進(jìn)行設(shè)計(jì)實(shí)習(xí)，或者很多老師都沒有機(jī)會(huì)接觸到正版的輔助設(shè)計(jì)軟件，更別說學(xué)生了。其結(jié)果是：學(xué)生在學(xué)校里面不能掌握專業(yè)的設(shè)計(jì)軟件和設(shè)計(jì)方法，感覺所學(xué)的與社會(huì)上的需要脫節(jié)，畢業(yè)后不能滿足業(yè)界的需要，又需要從頭學(xué)習(xí)，削弱了人才的競爭力，增加了學(xué)生就業(yè)的難度。 因此，只有從現(xiàn)在開始，在高等學(xué)校積極推廣成熟實(shí)用的CAD設(shè)計(jì)軟件，使學(xué)生在學(xué)校的學(xué)習(xí)階段中，就可以將理論學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)合起來，一則推廣正版軟件的使用，二則可以讓學(xué)生在進(jìn)入社會(huì)以前，就做好了充分的準(zhǔn)備，接受正規(guī)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)訓(xùn)練，其結(jié)果必能提升人才的水平，進(jìn)而提升整體產(chǎn)業(yè)的層次，加強(qiáng)我們在全球化市場上的競爭力。
訊技光電科技（上海）有限公司，是中國最專業(yè)、歷史最悠久的光學(xué)CAD軟件的代理和服務(wù)公司，公司擁有幾十種國際上知名光學(xué)CAD軟件的獨(dú)家代理權(quán)，致力于發(fā)展中國的光學(xué)CAD事業(yè)，培養(yǎng)光學(xué)CAD人才。有鑒于以上的考量，以“開闊學(xué)生眼界，增強(qiáng)學(xué)生社會(huì)競爭力，推廣光學(xué)CAD相關(guān)的世界領(lǐng)先技術(shù)和設(shè)計(jì)理念”為宗旨，主要從事光學(xué)CAD軟件的推廣、軟件使用培訓(xùn)、軟件技術(shù)支持和產(chǎn)業(yè)設(shè)計(jì)培訓(xùn)、新產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法等的研究。其目的是將大學(xué)的科研成果及科研力量與訊技公司技術(shù)開發(fā)資源和市場優(yōu)勢進(jìn)行結(jié)合，促進(jìn)學(xué)校的學(xué)科建設(shè)和人才隊(duì)伍建設(shè)，特別是在促進(jìn)專業(yè)光學(xué)CAD軟件在國內(nèi)的使用，為中國培養(yǎng)更多更優(yōu)秀的光學(xué)設(shè)計(jì)人才，將最新的設(shè)計(jì)理念、設(shè)計(jì)方法在中國的推廣方面起到十分重要的作用。
聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室還將為學(xué)校日常的光學(xué)教學(xué)活動(dòng)、相關(guān)課題研究、選修課中計(jì)算機(jī)軟／硬件開發(fā)工程和對外進(jìn)行相關(guān)培訓(xùn)等提供輔助設(shè)計(jì)軟件與研究條件，為建立校企聯(lián)合創(chuàng)立良好的示范作用�！汗鈱W(xué)CAD聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室』的成立，為產(chǎn)、學(xué)、研合作探討了新思路，尋求了一個(gè)基于專業(yè)大學(xué)實(shí)驗(yàn)室、著眼于長期合作、產(chǎn)學(xué)、研發(fā)一體化的新模式。這一模式的建立為國內(nèi)高技術(shù)企業(yè)提升核心技術(shù)競爭能力，搶占高技術(shù)制高點(diǎn)創(chuàng)造了重要條件，同時(shí)其它學(xué)校提供了新的借鑒模式。聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室的成立，對合作雙方的長遠(yuǎn)發(fā)展，對推動(dòng)中國光學(xué)CAD教育均具有非常積極的意義。
二、合作方式
由國內(nèi)最具指標(biāo)性之大學(xué)與訊技公司配合，并透過提供優(yōu)惠的軟件資源，來共同建立『光學(xué)CAD設(shè)計(jì)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室』。設(shè)立專門的設(shè)計(jì)實(shí)習(xí)課程，并在學(xué)生的相關(guān)課程中加入光學(xué)CAD 軟件介紹和輔助設(shè)計(jì)方法等內(nèi)容。訊技公司還將與學(xué)校攜手，定期舉辦光學(xué)CAD 技術(shù)演講和討論活動(dòng)，并幫助大學(xué)為學(xué)生提供實(shí)習(xí)機(jī)會(huì)，同時(shí)也鼓勵(lì)開發(fā)商和加強(qiáng)與學(xué)校的交流。
透過聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室建立“產(chǎn)品認(rèn)證中心”，也就是類似微軟的MCSE等的認(rèn)證，并有原廠保證，可以作為個(gè)人的軟件能力認(rèn)證，提升軟件專業(yè)形象。
采取簽約方式進(jìn)行，每一年為一期，透過續(xù)約的機(jī)制，持續(xù)檢視過去聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室的配合及執(zhí)行方式有無缺失，加以進(jìn)行檢討改進(jìn)，以確保聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室之成效。
三、合作產(chǎn)品介紹
VirtualLab Fusion——統(tǒng)一化光學(xué)建模設(shè)計(jì)與分析平臺(tái)
VirtualLab Fusion是德國LightTrans 開發(fā)的一款新型光學(xué)仿真和設(shè)計(jì)軟件，它是一個(gè)統(tǒng)一化光學(xué)建模設(shè)計(jì)與分析平臺(tái)，采用場追跡的方式進(jìn)行光學(xué)建模。場追跡作為統(tǒng)一光學(xué)系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)的一種建模技術(shù)，超越了光線追跡（Ray tracing），光學(xué)系統(tǒng)性能的表征是通過求解簡諧波場（Harmonic fields），而不是光線束（Ray bundles）。因此，在對同一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)，場追跡能利用并提供更多的光學(xué)信息，它理論上能把幾何光學(xué)到電磁學(xué)（或物理光學(xué)）的各種建模技術(shù)統(tǒng)一起來，并且實(shí)現(xiàn)多種模擬技術(shù)的無縫結(jié)合，可以根據(jù)輸入光源和元件的面型、折射率、介質(zhì)、膜層，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)匹配模擬，可以完全勝任現(xiàn)代光學(xué)系統(tǒng)的數(shù)字模擬仿真工作�；谶@些技術(shù)，VirtualLab Fusion提供了光學(xué)建模中無法超越的靈活性和效率。
VirtualLab Fusion作為統(tǒng)一化的光學(xué)建模平臺(tái)，它基于電磁場核心理論，用光路流程圖的表示方法進(jìn)行建模，光學(xué)系統(tǒng)中用到的光源、元件和探測器等可以在光學(xué)元件庫中靈活調(diào)用并進(jìn)行光學(xué)特性編輯。對光學(xué)系統(tǒng)的不同媒質(zhì)區(qū)域，可自動(dòng)選擇傳輸模擬技術(shù)，用戶也可以自行設(shè)置傳輸方式。目前，VirtualLab Fusion兼容了幾何光學(xué)、SPW平面波譜算法、Fresnel遠(yuǎn)場積分、FMM/RCWA算法、光束傳播方法、ABCD矩陣傳輸?shù)榷喾N模擬技術(shù)，其發(fā)展目標(biāo)是把市場上所有的光學(xué)建模技術(shù)都融匯到VirtualLab Fusion的建模技術(shù)之中。
VirtualLab Fusion軟件包集合了兩個(gè)套裝及六大工具，包括：VirtualLab Fusion基礎(chǔ)套裝、VirtualLab Fusion高級(jí)套裝、衍射光學(xué)工具金/銀版、波導(dǎo)工具箱金/銀版、激光諧振腔工具箱、光束整形工具箱，鑄就了它的強(qiáng)大功能。
（1）VirtualLab Fusion基礎(chǔ)套裝
基于光場追跡技術(shù)，VirtualLab Fusion能夠?qū)Ω鞣N光源進(jìn)行準(zhǔn)確的建模，如相干光和部分相干光、連續(xù)光和脈沖光、單波長和寬光譜光源等；同時(shí)，其集成了從幾何到物理各種光學(xué)建模技術(shù)，如自由空間傳輸方法：平面波譜法（SPW）、菲涅爾（Fresnel）、遠(yuǎn)場（Far Field）、幾何光學(xué)（Geometrical Optics）、瑞利索末菲（Rayleigh Sommerfeld）等，以及光學(xué)元件求解算法：分步傳輸算法（BPM）、薄元近似（TEA）、局部平面波近似（LPIA）等，針對復(fù)雜光學(xué)系統(tǒng)內(nèi)不同的區(qū)域，自動(dòng)選擇合適的建模技術(shù)，以獲得相應(yīng)的電磁場信息，通過使用序列和非序列的方式，以完成整個(gè)系統(tǒng)的仿真和分析，如激光傳輸系統(tǒng)、干涉系統(tǒng)、成像系統(tǒng)和光纖耦合系統(tǒng)等，仿真過程中考慮各種物理光學(xué)效應(yīng)，如偏振、相干、衍射、矢量和像差效應(yīng)等。
基于新的參數(shù)掃描功能，能夠選定系統(tǒng)內(nèi)任意參數(shù)，以進(jìn)行系統(tǒng)敏感度分析，如干涉圖樣的變化、光場的演化以及聚焦光斑的變化等；同時(shí)，也能夠基于新的參數(shù)優(yōu)化功能，對設(shè)定的目標(biāo)函數(shù)，如耦合效率、光斑大小、發(fā)散角等進(jìn)行優(yōu)化，從而獲得期望的系統(tǒng)參數(shù)。
（2）VirtualLab Fusion高級(jí)套裝
VirtualLab Fusion高級(jí)套裝除了包含基礎(chǔ)套裝的全部功能，還提供了薄元近似（TEA）和傅里葉模態(tài)法（FMM）兩種求解算法，能夠?qū)σ痪S和二維亞波長光柵進(jìn)行嚴(yán)格的電磁場分析和設(shè)計(jì)，包含衍射光柵、全息光柵、布拉格光柵、表面光柵、光子晶體、衍射光束分束器、偏光器、抗反射結(jié)構(gòu)、衍射光學(xué)元件、光伏系統(tǒng)和光譜光柵。光柵的特征尺寸可以從納米到毫米量級(jí)。同時(shí)可以計(jì)算衍射效率、近場、偏振、反射、透射以及內(nèi)部場。各種定制特性可以使用戶分析和優(yōu)化用戶自定義結(jié)構(gòu)的光柵。這些包括導(dǎo)入測量的高度輪廓以及使用公式描述一個(gè)高度輪廓的可編程高度輪廓或者折射率分布介質(zhì)，并且能夠進(jìn)行公差分析。
（3）VirtualLab Fusion衍射工具箱銀版
衍射光學(xué)工具箱銀版是基于迭代傅里葉變換算法，可以設(shè)計(jì)和優(yōu)化各類相位型衍射光學(xué)元件，如整形器、分束器以及擴(kuò)散器等，衍射光束分束器允許將一束激光分成光束陣列。衍射擴(kuò)散器能夠使確定的散射光線進(jìn)入任意2D光圖案。擴(kuò)散器和光束分束器可以用來轉(zhuǎn)換相干光和部分相干光源。衍射和折射光束整形可以將相干激光光束整成環(huán)形、矩形高帽、線型或者自定義2D強(qiáng)度分布。并且能夠針對相位衍射元件進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，導(dǎo)出加工所需的格式，如GDSII、Bitmap以及ASCII、STL等。
（4）VirtualLab Fusion衍射工具箱金版
衍射光學(xué)工具箱金版不僅包含衍射工具箱銀版的全部功能，還可以對衍射成像透鏡進(jìn)行建模以及進(jìn)行二元高度輪廓設(shè)計(jì)，可以進(jìn)行全息光學(xué)元件的建模，或者進(jìn)行偏振敏感超透鏡的建模和分析，以滿足最新的設(shè)計(jì)和仿真需求。
（5）VirtualLab Fusion激光諧振腔工具箱
VirtualLab Fusion激光諧振工具箱允許分析穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)激光諧振腔的本征模。分析包括了基膜、高階模和本征值的計(jì)算。依賴于經(jīng)典場追跡技術(shù)，可以將從幾何光學(xué)到電磁場處理的各種光束傳輸方法最佳的組合起來。因此允許腔內(nèi)包含微結(jié)構(gòu)和DOE元件，模擬受激介質(zhì)的折射率調(diào)制以及任意形狀的基膜。在VirtualLab Fusion中表面輪廓和介質(zhì)以及自定義元件目錄為定義諧振腔提供了非常大的靈活性。公差模擬可以研究一個(gè)諧振腔的穩(wěn)定性。
（6）VirtualLab Fusion光束整形工具箱
VirtualLab Fusion光束整形工具箱可以對LED（或其他大角度輻射）光源，能夠設(shè)計(jì)微結(jié)構(gòu)單元陣列，如光柵單元陣列、棱鏡單元陣列以及反射鏡單元陣列，以實(shí)現(xiàn)光束整形和均勻化。在這個(gè)過程中會(huì)考慮光線的反射、折射及干涉、部分相干、色散效應(yīng)。
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