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光学界中的“软件兵器谱”！

2021-12-17 09:14| 发布者：Davis| 查看：372| 评论：0|原作者: 光电资讯

摘要：在光学界，如同武林中的兵器谱一样，光学软件是工作中必不可少的利器。ZEMAX、CODE V和Light Tools等专业光学设计软件具备先进的分析和优化功能，还包括公差分析、照明系统设计等多种应用领域，适用于各种光学设计需求。

《兵器谱》是小说家古龙

笔下一本虚构古籍

由小说中的人物百晓生所著

书中列出当时武林中

人的兵器与武功的排名

武器是江湖中人

生存的根本

武侠小说里

除了拳脚功夫

武林人士推崇的就是

一件真正的好兵器

工欲善其事

必先利其器

在工作中

我们除了自身的技术能力

很多时候需要

借助一些光学软件

来帮助我们

哪种软件最好

大家有什么看法呢

下面先为大家列举一些

经典的光学软件

先让它们展现一下自己的特点

光学设计系列

ZEMAX软件

简介

ZEMAX是一套综合性的光学设计软件。它提供先进的、且符合工业标准的分析、优化、公差分析功能，能够快速准确的完成光学成像及照明设计。

三种不同的版本：

Standard，Professional，Premium

ZEMAX有三种不同的版本：Standard、Professional和Premium。其中Standard是标准版，包含大部分工具，用于成像系统的序列光学系统的设计；

Professional是专业版，包含非序列光学系统设计、偏振光线追迹、物理光学分析和Standard中所有的功能；

Premium是旗舰版，包含所有的工具及资源，适用于更高级专业用户。还有ParkLink™、AssemblyLink™、光源模型库、高级光路分析以及闪电追迹等等。

ZEMAX的应用领域及范围

●显微镜、望远镜、目镜等镜头设计等

●相机镜头、各种变焦镜头、手机摄像头、夜视系统设计等

●各种LED二次配光透镜，色度分析及颜色混合优化等

●车灯、LCD 背光板和LED等照明系统设计优化

●光管、光纤连接器，有源及无源器件、光纤耦合

●DVD、VCD 激光读写头、干涉仪、全息光学

●LCOS、DLP等各种投影仪及光学引擎设计

●物理光学BPM计算，偏振光学

●激光光学系统，激光打标机及元件设计，系统分析

●激光扩束镜头、F-theta扫描镜头设计优化，整形镜头设计

ZEMAX的技术性能

软件可以实现的主要功能

●几何光学设计：成像镜头设计、成像质量分析、温度环境分析、加工公差分析等

●物理光学设计：激光系统及元件的设计及分析，光学相干衍射特性分析、光纤耦合等

●照明系统设计：照明系统的设计，光机设计，和3D模型软件动态链接，光源库等

●ZPL语言扩展：自带的编程语言可以实现功能的扩展

●扩展功能：可以和C语言、C++、VB等编程语言进行配合使用

CODE V 软件

CODE V 是成像系统开发的领先工具，以序列的方式处理几何及衍射光学问题，涵盖了广泛的光学结构与计算功能，提供全方位的设计、评价、公差、价格、制造与组装分析功能的光学设计平台。自 1 975 年起，CODE V 对光学系统的发展具有相当大的贡献与深远的影响，如微显影透镜、投影机显示器、车用光学仪器、光通讯设备、医疗仪器、军用科技与太空探测设备等等。

特点

全方位的分析与评价功能

CODE V 的分析功能包括几何光学的点列图、像差曲线、场曲、畸变与像散分析，评估衍射的 MTF、点扩散函数，其它如波前分析、透射分析、照度分析、环境温度压力分析、公差分析、鬼影分析、光束合成传播与成像模拟功能，这些丰富且准确的分析功能提升了设计的便利性，更增加了设计的可能性。

强大的优化设计

在优化过程中，CODE V 将误差函数与约束条件分开考虑，确保优化在短时间内计算出可制造的设计。而 CODE V 的 Global Synthesis ( GS)

功能可解决全局优化的问题，GS 会在整个变数空间中不断寻找局域的最佳解，产生许多有趣且通常不易想象的可能结构，提升更多的设计可能性，也更容易找出符合不同需求的最佳设计。

快速的公差分析

CODE V 的 TOR 公差分析功能利用波前求导的方式快速地计算公差对性能的影响，独特的公差计算能力可大幅地压缩试产调整的时间、提高良品率、节省成本并提升竞争力。快速的公差分析使优化可以一起考虑公差灵敏度，在优化设计中找出公差灵敏度较低的设计，兼顾可制造性与品质。

直观的规格表与即时的规格评价

Spec Builder与 SpecEvaluator工具可让设计者快速构建一整套光学设计的项目规格和目标并即时完成评估。内建包括光学、机械、性能、可制造性、环境和成本规格，亦能创建自定义规格。通过单击按钮，可在光学设计项目期间随时进行评估以衡量设计进度。

Light Tools软件

Light Tools是一款互动式、具有 3D 实体建模环境的光学设计软件，可帮助用户建立各种光源、机构与光学元件，提供高精度运算及图形化分析结果，协助用户将各种高复杂与高效率的光学产品快速导入市场，可广泛应用于 LED 封装设计、室内外与车内照明应用、背光模组设计、太阳能聚光设计、光机设计与镜头杂散光分析等领域。

特点

简单而富有弹性的建模功能

Point and Shoot光线追迹功能，可辅助草图设计

便捷的几何特性参数式修改功能

精准可靠的模拟结果

强大且卓越的设计与分析能力

独一无二的照明优化能力

支持 COM 界面，可与其它宏软件结合

光学镀膜系列

TFCalc软件

这款TFCalc光学薄膜软件可用于设计各种类型的减反、高反、带通、分光、相位等膜系。首先它支持各种膜系的建模。TFCalc能设计基底双面膜系，单面膜层最多可达5000层，支持膜堆公式输入。并可以模拟各种类型的光照：如锥形光束，随机辐射光束等。其次具有一定的优化功能，可用极值、变分法等方法优化膜系的反射率、透过率、吸收率、相位、椭偏参数等目标。还可以采用针法，只要初始的单层膜就可以自动设计出各种膜系。

更重要的是这款软件集成了各种分析功能，反射率、透过率、吸收率、椭偏参数分析；电场强度分布曲线；膜系反射和透过颜色分析；晶控曲线计算；膜层公差与敏感度分析；良率分析。TFCalc Reoptimize还可以与镀膜机进行联机，及时补偿镀制前层膜时的公差，保证最后成品膜的性能合格。最后还能和Matlab等其它软件一起使用，支持对膜系性能的分析。

Essential Macleod软件

Essential Macleod 是一套完备的光学薄膜分析与设计的软件包，可以在所有 64/位32 位的Microsoft Windows操作系统下运行，并且具有真正的多文档操作界面；它能满足光学镀膜设计中的各种要求，从简单的单层膜到严格的分光膜；也能对波分复用（WDM）和密集波分复用（DWDM）滤波片进行测评；可以从头开始设计也可以优化已有的设计；可以勘测在设计中的误差，也可以萃取设计用到的光学薄膜常数。

Essential Macleod核心模块的功能

●计算给定膜系的特性

●对给定特性目标要求优化膜系设计

●维护材料的光学常数

●对已有设计进行分析

●膜系设计的合并分析

Essential Macleod可扩展的功能

Runsheet

这个工具可设计镀膜制程，包含机器配置编辑器以及跑单生成器。机器配置中贮存了镀膜机的详细设置，材料源以及制具因子（Tooling）以及监控系统。使用者可使用跑单生成器对既定的机器配置，进行镀膜设计的监控规划。该工具除了可同时具备光学与晶体监控功能外，还具备诸如动态加工因子和系统带宽等高级特性。

Simulator

对于公差问题， Simulator 通过蒙特卡罗（Monte Carlo）法在实际模型控制过程的扩展来进行解决。通过一个由 Runsheet 创建的控制计划， Simulator 可模拟薄膜淀积控制，引入随机和系统效应，例如信号噪声，加工因子的变动，封装密度误差等等，以及显示这些参数对于镀膜制程的最终模拟结果的效应。

Monitorlink

Monitorlink提供将Runsheet连结到一个淀积控制器的额外软件。一个独立的程序与控制器直接连接，而且一个 Runsheet 的扩展也赋予其产出和编辑淀积程序的功能。

VStack

VStack 是一种计算与优化的工具﹐它也能计算这些系统中斜射光的效应。当光束斜入射时，初始为 p- 偏振态的光线最终会以 p - 偏振态从系统出射。同理，原本是 s - 偏振态光也会以 p - 偏振态出射，我们称此为偏振泄漏 (polarization leakage) 现象。VStack 能计算泄漏的大小而且提供泄漏元件的 Delta 值。

Function

一些法向反射﹑透射，或是相位的计算通常需要非常庞大的计算量才能求得结果。电子数据表并不是一种合适的解法，一方面因为它不方便进行插值操作，另一方面在处理不同数量的数据组时会有困难。但 Function 可以完全自动计算，其简单宏指令中的操作 ( 具有内建的编辑器和语法检查器 ) 能允许一再重复相同的计算。

DWDM Assistant

DWDA Assistant 可自主设计一组多腔滤波片，以满足用户的不同规格，设计结果可以根据一些诸如总厚度、预计淀积时间等等规范排序。

光通信系列

Photon Design光波导设计软件

Photon Design 是一套业界公认优秀的光子、光通信、波导光学系列软件，广泛用于光纤通信系统设计和光子器件设计。它具有其它软件无法替代的优势，功能强大，可以完全满足您的设计需要，包含多个功能模块：

★ FIMMWAVE 全矢量3D模型求解器

●任意3D波导的全矢量求解

●快速、强大的求解引擎，优化矩形、光纤及散射波导

●对于包含材料在内的复折射率的波导有对应的版本

●对于复杂问题有非常精确的求解方法，比如薄层、低耦合、

近断面等结构

●友好的界面，编辑器的多重选择，用于设计矩形、圆形、

散射光波导或一系列的几何图形

★ FIMMPROP 双向光学传播工具

●采用严格的麦克斯韦方程解决半解析、全矢量的3D传播

●高折射率的对比性能

●没有缓慢变化近似、模拟广角问题

●双向运算，模拟所有内反射

●使用散射矩阵，进行快速优化设计

●MMI耦合器、周期结构、锥形结构，弯曲结构的快速设计

★ CrystalWave 光子晶体设计工具

●专业的2D、3D光子晶格编辑器

●2D和3D FDTD/FETD引擎、高速FEFD引擎、RCWA引擎

●使用SMP多核处理器进行FDTD快速计算

●FDTD集群，用于Windows和Linux系统

●唯一有源FDTD，用于光子晶体激光器的模拟

●轻松创建晶格，编辑数量多达10000个

★ PICWAVE 光子IC电路仿真

●集成无源和有源光子IC仿真

●激光二极管和SOA物理模型

●光纤布拉格光栅模型

●集成其它严格Maxwell EM求解器

●可调谐激光二极管模型

★ Epipprop 分级光栅模块

●3D全矢量分级光栅模拟

●使用分析衍射理论，在自由空间内进行超快速的

传播计算

●内建全矢量2D+z有限差分(FDM)波导模式求解器

●可以输入任意用户自定义光栅

●I/O波导阵列支持多模波导和任意偏振状态

●包含所有衍射状态

★ Kallistos 光子器件优化工具

●自动改进当前的设计

●使用先进的优化技术

●容差分析

●在方程剖析器下灵活建立

●与其它PD产品紧密结合

●强大、友好的图形用户界面

★ OmniSim 全方位光子仿真

●2D和3D的FDTD/FETD引擎，高速FEFD引擎、RCWA引擎

●真正的SMP，用于多核计算机快速计算FDTD

●输出GDS-II格式挡

●FDTD集群，用于Windows和Linux系统

●带有载波速率方程的有源FDTD版本

●负折射率材料，用于色散渗透模型

★ HAROLD 异质结构激光二极管模块

●先进的异质结构模型，模拟FP激光器/ SOA

●允许建立任意外延层结构和成分

●全面的模拟结果︰器件的光/电/热特性

●与PICWave 联合使用

●中快速时域模拟

●各种仿真选项︰1D或2D

光学仿真系列

FRED软件

应用领域

FRED 运用的领域范围非常广泛，常见的应用领域为：照明系统、导光管、投影系统、激光、干涉、杂散光、鬼影分析、生物医学、及其它光学系统原型的系统设计等等，无论简易或复杂的成像与非成像系统结构， FRED 都可以准确的建构及分析。

应用举例

光机系统设计

FRED可以在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。用户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。

照明和非成像系统

对光源反射罩或组合透镜的面型进行优化，在分析面上得到所需的照度分布，可以生成照度分布图。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。

杂散光计算

利用 FRED 来建构任何复杂的结构分析，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。

FRED Optimum 简介

FRED Optimum 是 FRED 最高版本。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。

VirtualLab Fusion软件

VirtualLab Fusion是一款通过求解麦克斯韦方程组进行场追迹的统一化光学建模平台。

2017年8月，VirtualLab Fusion 高速物理光学仿真软件第二代技术全新升级版本正式发布（版本号7.0.0.35 ）！二代VirtualLab Fusion在高速物理光学仿真、设计与建模上有重大突破，极具潜力的域转换理论的使用，让其仿真速度和光线追迹一样快。第二代VirtualLab Fusion不仅拥有强大的技术理论体系，更将非序列光线追迹算法融合进来，从而给用户提供更好的使用体验

光束整形

VirtualLabFusion能够使用自由曲面，衍射光束分束器与图案生成器，扩散器和常规阵列微光学元件（包括但不局限于微透镜阵列）实现光束整形。

VirtualLab Fusion针对激光和LED光源可实现整形、分束和均匀化以完成照明系统的设计和仿真任务。该软件包的重点是透镜阵列，衍射光学元件和由光栅、反射镜和棱镜组成的晶胞阵列的使用。对所设计的元件，加工数据可以以几种格式导出，包括STL和GDSII；同时支持与SLM交互。高速物理光学仿真和优化算法保证了这些光学元件的设计成为可能。该建模考虑了衍射、干涉、偏振度和相干度光学测量

通过高速物理光学，全面研究了干涉仪、光谱仪和传统式或结构照明式显微镜的成像质量与分辨率限制。

光学在整个历史上提供了不可思议的精确测量手段，它是发挥科学技术潜力的重要一环。测量系统的分析不可避免地需要考虑物理光学效应（相干性，偏振态，干涉，衍射等），以得到现实的，可靠的结果。VirtualLab Fusion可以利用高速物理光学理论，为这种分析提供必要的工具，此外，它还有助于快速的模拟。

成像系统

通过高速物理光学，实现透镜系统建模。提供对包含鬼像和部分相干性的系统的可靠的PSF/ MTF评估。系统中可以包含光栅，全息光学元件以及衍射透镜。

成像系统是光学上有历史意义的基石之一。它们的应用是多种多样的，从而基于此提出了需求：系统中包含衍射元件与传统透镜，对高级PSFs / MTFs的计算，考虑系统中的多次反射……VirtualLabFusion将高速物理光学建模，嵌入在一个用户友好的界面，帮助你成功地对光学系统中上述所有进行仿真。

激光系统

高速物理光学可以有效地实现对激光光源、衍射、干涉、偏振和非线性效应的建模，并且可以使用任意感兴趣的光束参数。

激光系统可模拟单模以及多模、连续波和脉冲激光光源。可设计包含透镜、反射镜、衍射光学元件、光栅以及全息图在内的激光系统。在这样一个拥有直观用户界面的单独软件中，VirtualLabFusion提供了高速准确的场追迹和光线追迹引擎。

虚拟和混合现实

针对VR,AR以及MR应用，VirtualLab Fusion为用户提供了多通道波导成像系统的非序列建模技术，建模过程中能够对波前差、能流以及PSF/MTF进行评估。

在现代显示技术中，成像通道（换句话说，即从成像面板到人眼的光路）必须紧凑，同时其也在面板和人眼之间引入一个横向偏移。此外，我们一般需要多路传输进入许多成像通道，从而为不同位置处的人眼提供图像。为此，包含光栅的波导受到了越来越多的关注。VirtualLabFusion能够实现非序列光线追迹和场追迹建模，并设计具有以下特性的器件：包括光栅效应的电磁感应、自动探测通过波导所有相关的光路，甚至可以对考虑了通道的部分相干效应的任意位置处的人眼计算多通道输入时的PSF/MTF。

光栅系列

Gsolver光栅设计软件

Gsolver是一款强大的光栅结构设计软件，软件具有直观的可视化界面，可设计各种光栅结构剖面，如：方波全息光栅，闪耀光栅，正弦、梯形、三角形、三点折线式及其它许多结构光栅等。它具有完全的三维矢量代码，仿真计算精度高，材料齐全。

特点：

全3D矢量求解，任意极化状态分析，各级指数任意变换，任意光栅级次分析，可编辑材料数据库，基于遗传算法优化，可输入任意代数约束表达式，任意数量控制参数，多重衍射效率目标，全差分优化选项控制。

功能介绍

●可视化光栅结构编辑器；完全的三维矢量代码

●自动生成常用的光栅结构剖面，包括方波全息光栅，闪耀

●光栅，正弦、梯形、三角形、三点折线式及其它许多结构光栅

●任意光栅剖面作图工具及通用材料库

●任意光栅参数分析，包括光栅厚度，材料，电介质材料和金属材料折射率（可通过实部和虚部来定义）。

●任意复杂光栅如多材料，膜层，内部结构等

●薄膜分析，遗传算法设计优化，衍射级次及相位角分析，圆锥衬边及任意偏振

光源数据分析系列

ProSource® OE光源数据分析软件

ProSource 10是照明设计的强大工具，照明设计师能够充分利用RadiantSource 光源数据库，是光学软件中以最精确的方法来描述真实光源的近场输出软件。数据库使用的RSMX文件是目前最精确的光源描述方案，它包含真实光源的近场数据、照度图、发光角等数据。这些数据能够随时准确的还原光源的相关特性。

基本功能介绍：

●RSMX文件可以生成精确光谱数据的光线束，从而对光源准确地进行仿真。

●DB版本所包含的在线RSMX光源数据库包含丰富的工业用光源数据，

能够有效降低设计风险。

●能够分析光源照度及色度与出射角度的关系。

目前ProSource 包含两个版本

●DB 版本：包含SE 的所有功能，附加RSM 在线数据库的使用权限。该数

据库目前包含600多种商用光源的测量数据，并在不断增加。

●SE版本：提供完整的RSM分析，光线生成，以及IES和EULUMDAT

文件生成功能。

光学材料价格计算系列

LENS COSTING光学材料价格计算软件

为了满足广大材料厂商和光学加工厂商的需求，光研科技开发了用于镜片和材料的价格计算的软件LENS COSTING v1.0。

特点：

●界面友好，使用方便

●自定义材料密度，材料价格

●自定义曲率，口径和中心厚度

●输出边厚，体积，重量及价格

●输出DXF格式的标准图纸

●支持打印输出

在输入区输入镜片的参数后，如果点击“仅计算”即可计算出镜片的价格、重量、体积和边厚等信息。如果点击“计算并显示图形”得到输入区的数据之外，还可以得到镜片的图形。

同时本软件支持输入DXF格式的标准图纸，方便使用者可以用autocad等软件修改和编辑。同时本软件还支持打印等功能。

激光器谐振腔系列

ASLD固体激光腔体设计软件

ASLD是一款高效易用的固体激光器谐振腔设计、优化仿真工具。它可以从泵浦系统模型到谐振腔模拟，以及系统内光学、机械、热效应和电场等物理特性之间的相互影响。

ASLD在设计时就考虑到，目前也具有对连续波长和脉冲激光器的输出功率，多模分析以及光束质量的分析的功能。该软件也能够准确计算激光晶体内部的机械、光学以及热透镜效应。更进一步的，ASLD包含了强大而有效的算法来准确仿真分析系统谐振腔的稳定性和输出能量。

ASLD所具有的图形化界面允许用户直接在泵浦腔或激光谐振腔内中插入元件，并通过相应的窗口来定义光学元件的结构和特性参数。并且，仿真数据可以通过相对应的窗口来进行调整。这样通过图形界面调整元件结构及参数的操作能够大大提高系统设计效率。

功能特点：

热透镜效应分析

ASLD 能够分析热透镜效应中随时间变化的结构和热分布。在使用脉冲泵浦光源时需要使用该功能。热透镜效应主要影响激光器的稳定性，输入功率以及光束质量。

光束质量和输出功率分析（DMA）

ASLD 依靠光束半径，泵浦光源、谐振腔参数，以及相关的光学结构如Irises以及Gaussian output couplers来计算系统能量及光束质量。

激光器稳定性及束腰分析

ASLD通过对系统谐振腔参数和晶体热效应的仿真来计算得出固体激光器的稳定性及束腰参数。

泵浦光源分析

ASLD内部整合的光线追迹模块能够对泵浦光源进行仿真可以如下特性进行仿真：

·光谱吸收 ·散射效应 ·光路反射

主动Q开关、被动Q开关、SHG

ASLD能够对系统内的主动和被动Q开关进行脉冲能量、脉冲宽度、光束质量以及泵浦频率进行分析。并且当系统内部包含可饱和吸收器时，能够对其的基态和激发态吸收横截面数据进行仿真分析。

参数分析

ASLD内置参数分析工具。该工具能够帮助工程师对激光器的效率进行优化分析。

材料数据

ASLD包含激光晶体的材料数据。并且用户可以根据自己的需求随时添加新的材料。

LASCAD软件

LASCAD为用户提供了热学与光学之间复杂的多物理过程交互分析能力，可以用于LD泵浦的固体激光器（DPSSL）相关性能的分析，包括通过有限元方法分析多种泵浦结构下谐振腔内晶体的热透镜效应；利用等效的ABCD矩阵分析含热透镜效应的谐振腔的稳定性；利用BPM算法计算激光器的输出模式以及光束质量；利用速率方程计算激光器的输出功率随泵浦功率的变化曲线；利用DMA模型分析多模竞争和调Q等动态过程。综合运用上述分析能力就可以实现DPSSL的精准分析和优化设计。

软件特色

● 有限元算法分析热透镜效应

● 等效ABCD分析谐振腔稳定性

● BPM传输算法分析输出模式和光束质量

● DMA模型分析多模竞争和调Q过程