一、目的與意義
隨著計算機硬件的發(fā)展，特別是個人計算機的迅速發(fā)展，作為一種現(xiàn)代化的工具，使其廣泛地應用于各種領域，其中很重要的一個部分就是計算機輔助設計。計算機輔助設計技術(shù)的應用范疇極為廣泛，從航天工業(yè)的先進載人工具研發(fā)，到顯示器背光板注塑成型，都能利用計算機輔助設計技術(shù)進行分析與設計。
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。但當今新產(chǎn)品的設計，已經(jīng)擺脫以往單憑『老師傅的一雙手』，重復制作產(chǎn)品原型(prototype)再加以測試的模式，而是以先進的模擬設計技術(shù)，配合高速計算機計算的能力，迅速驗證新產(chǎn)品的規(guī)格與性能，如此才能有效率的進入量產(chǎn)，縮短新產(chǎn)品上市的時間。而計算機輔助設計技術(shù)已成為各高科技產(chǎn)業(yè)研發(fā)新產(chǎn)品時的必備流程，通過計算機輔助設計軟件，可以大幅度地減少新產(chǎn)品開發(fā)的周期，進而縮短新產(chǎn)品上市的前置時間，降低研發(fā)成本花費，可實質(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，同時也大大提高企業(yè)和人才的競爭力。
光學系統(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方面。光學設計則是世界上最復雜的計算之一，如果沒有計算機輔助，一個簡單的光學系統(tǒng)也需要很多人，花費很多時間，更不用說復雜的變焦、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)秀光學輔助設計軟件，在個人計算機上就可以進行光學系統(tǒng)的設計和仿真。
能夠成功運用光學仿真設計技術(shù)的關(guān)鍵有二：一是專業(yè)設計人才，二為性能優(yōu)越的仿真軟件。前者設計工程師的培養(yǎng)無法速成，但仿真設計的軟件工具的發(fā)展，確實已經(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，而且價格相當昂貴，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、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，足見光學系統(tǒng)在未來產(chǎn)品及市場競爭的重要性。
因為任何輔助設計軟件都不是“傻瓜”型的，所以專業(yè)的設計人才是必要的，而學校則是人才培養(yǎng)的基地。但許多學校因為經(jīng)費或認識不足，都只是講解設計理論和設計方法，不能讓學生真正進行設計實習，或者很多老師都沒有機會接觸到正版的輔助設計軟件，更別說學生了。其結(jié)果是：學生在學校里面不能掌握專業(yè)的設計軟件和設計方法，感覺所學的與社會上的需要脫節(jié)，畢業(yè)后不能滿足業(yè)界的需要，又需要從頭學習，削弱了人才的競爭力，增加了學生就業(yè)的難度。 因此，只有從現(xiàn)在開始，在高等學校積極推廣成熟實用的CAD設計軟件，使學生在學校的學習階段中，就可以將理論學習和實驗設計結(jié)合起來，一則推廣正版軟件的使用，二則可以讓學生在進入社會以前，就做好了充分的準備，接受正規(guī)的設計經(jīng)驗訓練，其結(jié)果必能提升人才的水平，進而提升整體產(chǎn)業(yè)的層次，加強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CAD軟件的代理和服務公司，公司擁有幾十種國際上知名光學CAD軟件的獨家代理權(quán)，致力于發(fā)展中國的光學CAD事業(yè)，培養(yǎng)光學CAD人才。有鑒于以上的考量，以“開闊學生眼界，增強學生社會競爭力，推廣光學CAD相關(guān)的世界領先技術(shù)和設計理念”為宗旨，主要從事光學CAD軟件的推廣、軟件使用培訓、軟件技術(shù)支持和產(chǎn)業(yè)設計培訓、新產(chǎn)品設計方法等的研究。其目的是將大學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)勢進行結(jié)合，促進學校的學科建設和人才隊伍建設，特別是在促進專業(yè)光學CAD軟件在國內(nèi)的使用，為中國培養(yǎng)更多更優(yōu)秀的光學設計人才，將最新的設計理念、設計方法在中國的推廣方面起到十分重要的作用。
聯(lián)合實驗室還將為學校日常的光學教學活動、相關(guān)課題研究、選修課中計算機軟／硬件開發(fā)工程和對外進行相關(guān)培訓等提供輔助設計軟件與研究條件，為建立校企聯(lián)合創(chuàng)立良好的示范作用。『光學CAD聯(lián)合實驗室』的成立，為產(chǎn)、學、研合作探討了新思路，尋求了一個基于專業(yè)大學實驗室、著眼于長期合作、產(chǎn)學、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)制高點創(chuàng)造了重要條件，同時其它學校提供了新的借鑒模式。聯(lián)合實驗室的成立，對合作雙方的長遠發(fā)展，對推動中國光學CAD教育均具有非常積極的意義。
二、合作方式
由國內(nèi)最具指標性之大學與訊技公司配合，并透過提供優(yōu)惠的軟件資源，來共同建立『光學CAD設計聯(lián)合實驗室』。設立專門的設計實習課程，并在學生的相關(guān)課程中加入光學CAD 軟件介紹和輔助設計方法等內(nèi)容。訊技公司還將與學校攜手，定期舉辦光學CAD 技術(shù)演講和討論活動，并幫助大學為學生提供實習機會，同時也鼓勵開發(fā)商和加強與學校的交流。
透過聯(lián)合實驗室建立“產(chǎn)品認證中心”，也就是類似微軟的MCSE等的認證，并有原廠保證，可以作為個人的軟件能力認證，提升軟件專業(yè)形象。
采取簽約方式進行，每一年為一期，透過續(xù)約的機制，持續(xù)檢視過去聯(lián)合實驗室的配合及執(zhí)行方式有無缺失，加以進行檢討改進，以確保聯(lián)合實驗室之成效。
三、合作產(chǎn)品介紹
VirtualLab Fusion——統(tǒng)一化光學建模設計與分析平臺
VirtualLab Fusion是德國LightTrans 開發(fā)的一款新型光學仿真和設計軟件，它是一個統(tǒng)一化光學建模設計與分析平臺，采用場追跡的方式進行光學建模。場追跡作為統(tǒng)一光學系統(tǒng)分析與設計的一種建模技術(shù)，超越了光線追跡（Ray tracing），光學系統(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，在對同一個光學系統(tǒng)，場追跡能利用并提供更多的光學信息，它理論上能把幾何光學到電磁學（或物理光學）的各種建模技術(shù)統(tǒng)一起來，并且實現(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，實現(xiàn)自動匹配模擬，可以完全勝任現(xiàn)代光學系統(tǒng)的數(shù)字模擬仿真工作。基于這些技術(shù)，VirtualLab Fusion提供了光學建模中無法超越的靈活性和效率。
VirtualLab Fusion作為統(tǒng)一化的光學建模平臺，它基于電磁場核心理論，用光路流程圖的表示方法進行建模，光學系統(tǒng)中用到的光源、元件和探測器等可以在光學元件庫中靈活調(diào)用并進行光學特性編輯。對光學系統(tǒng)的不同媒質(zhì)區(qū)域，可自動選擇傳輸模擬技術(shù)，用戶也可以自行設置傳輸方式。目前，VirtualLab Fusion兼容了幾何光學、SPW平面波譜算法、Fresnel遠場積分、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)展目標是把市場上所有的光學建模技術(shù)都融匯到VirtualLab Fusion的建模技術(shù)之中。
VirtualLab Fusion軟件包集合了兩個套裝及六大工具，包括：VirtualLab Fusion基礎套裝、VirtualLab Fusion高級套裝、衍射光學工具金/銀版、波導工具箱金/銀版、激光諧振腔工具箱、光束整形工具箱，鑄就了它的強大功能。
（1）VirtualLab Fusion基礎套裝
基于光場追跡技術(shù)，VirtualLab Fusion能夠?qū)Ω鞣N光源進行準確的建模，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，其集成了從幾何到物理各種光學建模技術(shù)，如自由空間傳輸方法：平面波譜法（SPW）、菲涅爾（Fresnel）、遠場（Far Field）、幾何光學（Geometrical Optics）、瑞利索末菲（Rayleigh Sommerfeld）等，以及光學元件求解算法：分步傳輸算法（BPM）、薄元近似（TEA）、局部平面波近似（LPIA）等，針對復雜光學系統(tǒng)內(nèi)不同的區(qū)域，自動選擇合適的建模技術(shù)，以獲得相應的電磁場信息，通過使用序列和非序列的方式，以完成整個系統(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效應，如偏振、相干、衍射、矢量和像差效應等。
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，也能夠基于新的參數(shù)優(yōu)化功能，對設定的目標函數(shù)，如耦合效率、光斑大小、發(fā)散角等進行優(yōu)化，從而獲得期望的系統(tǒng)參數(shù)。
（2）VirtualLab Fusion高級套裝
VirtualLab Fusion高級套裝除了包含基礎套裝的全部功能，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行嚴格的電磁場分析和設計，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。同時可以計算衍射效率、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。這些包括導入測量的高度輪廓以及使用公式描述一個高度輪廓的可編程高度輪廓或者折射率分布介質(zhì)，并且能夠進行公差分析。
（3）VirtualLab Fusion衍射工具箱銀版
衍射光學工具箱銀版是基于迭代傅里葉變換算法，可以設計和優(yōu)化各類相位型衍射光學元件，如整形器、分束器以及擴散器等，衍射光束分束器允許將一束激光分成光束陣列。衍射擴散器能夠使確定的散射光線進入任意2D光圖案。擴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強度分布。并且能夠針對相位衍射元件進行結(jié)構(gòu)設計，導出加工所需的格式，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行建模以及進行二元高度輪廓設計，可以進行全息光學元件的建模，或者進行偏振敏感超透鏡的建模和分析，以滿足最新的設計和仿真需求。
（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算。依賴于經(jīng)典場追跡技術(shù)，可以將從幾何光學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，能夠設計微結(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，以實現(xiàn)光束整形和均勻化。在這個過程中會考慮光線的反射、折射及干涉、部分相干、色散效應。
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