CADoptics

CAD/CAM/CAE/PDM/PLM/ERP

de Mircea Badut

CADoptics

Industria ,,optică’’ este una semnificativă în ţările mai dezvoltate (inclusiv în Europa), aşa încât – dezgropându-mi mai vechea idee, cum că ,,uneori tindem spre normalitate prin simpla simulare a normalităţii’’– vă propun să trecem în revistă acel subdomeniu al proiectării asistate de calculator (CAD) destinat opticii şi fotonicii.

De-ale opticii

Ne referim la proiectarea şi ingineria acelor produse care folosesc efecte ale fizicii optice, adică sisteme, subsisteme, aparate, dispozitive şi instrumente ce angajează componente precum: lentile, oglinzi, surse de lumină, senzori de imagine, opto-cuploare, fibre optice etc. Aşa încât, de la concepere până la analiză/simulare, avem de parcurs în mod particular:

  • definirea spaţială a traseelor de lumină (raze/fascicule; ,,ray-tracing’');
  • implementarea/angajarea de procese optice referitoare la lumină: receptare/emitere, transformare (reflexie, refracţie, dispersie, difracţie, interferenţă, polarizare, amplificare, modulare), transmitere etc;
  • considerarea atributelor luminii (spectru/frecvenţă, intensitate, distribuţie/uniformitate, polarizare etc);
  • considerarea aspectelor fizico-mecanice ale componentelor specifice (dimensiuni, forme, mase, proprietăţi), în maniera deja clasică din CAD (în genere modelând în spaţiul 3D).

 

Şi, pentru a-mpuşca mai mulţi iepuri cu acelaşi fascicol fotonic, vă propun să parcurgem o serie de facilităţi specifice subdomeniului, menţionându-le chiar deodată cu soluţiile software CAD cele mai cunoscute. Însă, înaintea iteraţiei, reţinem că unele dintre soluţii se ocupă doar de aspectele optice (de concepţie), urmând ca pentru materializarea produsului proiectat să se apeleze (prin export/import) la o soluţie PLM, pe când altele (integrate sau nu într-un mediu CAD consacrat) pot realiza o tratare PLM ceva mai integrală (acoperind fazele de la definirea proceselor/efectelor de optică/electronică exploatate,până spre fabricaţie).

Aplicaţi ale soluţiilor de CAD optic:

  • proiectarea camerelor foto/video (de amatori, profesionale sau industriale);
  • proiectarea de obiective pentru camere foto/video;
  • proiectarea de componente optice (lentile, prisme, oglinzi);
  • proiectarea surselor de lumină (lămpi, proiectoare, faruri, corpuri de iluminat cu LED-uri);
  • proiectarea de ecrane de afişare (monitoare, afişaje, panouri);
  • proiectarea de instrumente/aparate/echipamente optice/imagistice pentru analize medicale;
  • proiectarea de instrumente/dispozitive optice/imagistice pentru analize biochimice;
  • proiectarea de aparate/instrumente optice/imagistice pentru cercetare;
  • proiectarea de aplicaţii pentru monitorizarea liniilor de producţie;
  • proiectarea de echipamente/dispozitive optice/imagistice pentru aplicaţii militare şi/sau de Securitate etc.

 

Software-uri consacrate destinate industriei de optică/fotonică:

Denumire

Furnizor / creator

Lansare

 

OpticStudio

Radiant ZEMAX / Ken Moore

1990

 

FRED

Photon Engineering

1997

 

Code V

Synopsys / Optical Research Associates

1975

 

TracePro

Lambda Research

1994

 

OSLO

Lambda Research / Sinclair Optics /

University of Rochester

 

1976

 

Optica

WOLFRAM / Donald Barnhart

1991

 

RayCAD / AutoRay

RayCAD

1993

 

SPEOS;

OptisWorks

 

OPTIS

1989

 

ASAP

Breault Research

1992

 

OpTaliX

Optenso

1989

 

 

OpticStudio [ZEMAX]

După mai mult de două decenii de evoluţie, OpticStudio se dovedeşte un software cvasi-complet de proiectare, aplicabil atât în industrie/producţie cât şi în cercetare. Algoritmii proprietari de simulare a fenomenelor fizice sunt recunoscuţi pentru precizie şi rapiditate.

Utilizatorii săi îl preferă mai ales pentru abilităţile de concepere a obiectivelor speciale destinate să echipeze camere foto/video, telescoape, microscoape ş.a.. Însă OpticStudio se pretează bine şi la proiectarea diverselor sisteme de iluminat. Poposind un pic la chestiunile CAD, reţinem capabilităţile de parametrizare a proiectului, la diverse nivele şi sub diferite aspecte. Se creează cu uşurinţă modele 2D şi 3D, se pot genera secţiuni prin acestea, se poate naviga spaţial, iar vizualizarea beneficiază şi de instrumente de cartare avansate, precum redefinirea scării, explorarea interactivă a punctelor de date, modificarea culorilor etc.

Ultima ediţie, Zemax OpticStudio 14.2, vine cu o arhitectură avansată, incluzând metodologia ,,calculate once, analyze many”, dar şi combinând abilităţile de lucru pe 64 de biţi cu cele de exploatare a platformelor hard­ware multi-nucleu, ceea ce asigură un înalt potenţial de performanţă. Mai menţionăm şi posibilităţile de cooperare cu mediile software MATLAB şi Microsoft Excel.

Software-ul poate colabora cu platforme CAD con­sacrate (SolidWorks, Creo Parametric (Pro/E), Autodesk Inventor). Bibliotecile încorporate includ (în versiunea Premium) peste 600 de modele de surse de lumină (Radiant), colecţii de spectre emise, definiţii de materiale cu proprietăţi de dispersie a luminii, aici adăugându-se şi cataloage de produse de la furnizori cunoscuţi de piese optice.

FRED [Photon Engineering]

Începând din anul 1997, software-ul a strâns o pleiadă de clienţi semnificativi, pe care i-a ajutat să dezvolte o diversitate de produse (proiectoare LED, surse de lumină cu filament sau cu arc electric, sisteme optice pentru sateliţi, laseri, concentratoare solare, dispozitive militare, telescoape astronomice, ghidaje optice, sisteme de iluminat particular, dispozitive medicale, faruri pentru automobile ş.a.).

FRED permite modelarea tridimensională a ansamblu­rilor optice într-o manieră similară soluţiilor CAD clasice. El poate importa formate CAD standard (precum IGES şi STEP), ulterior reprezentările NURBS fiind tratate ca entităţi native (acordându-li-se roluri depline în proiect şi putându-li-se asocia proprietăţi optice – deci aspecte necesare/suficiente pentru derularea ray-tracing-ului). În vederea unei integrări optic-mecanic complete notăm şi facilitatea de export IGES şi STEP. Pe staţiile de lucru PC moderne, software-ul poate folosi până la 32 de nuclee de procesare, fiind capabil să-şi alcătuiască nesecvenţial traseele de lumină.

 Pe lângă efectul firesc (ca obiectiv principal al modelării) de asistenţă la identificarea eventualelor probleme/vicii de proiectare, mai este de menţionat şi mecanismul de optimizare (downhill simplex) prin care utilizatorul poate defini criterii sau condiţionări pen­tru simularea sistemului optic proiectat, premisă pentru rafinări ale obiectivelor de proiectare.

Deosebit la soluţia de la Photon Engineering este şi faptul că poate lucra cu lumină coerentă (sau parţial coerentă), permiţând modelarea avansată a câmpurilor optice coerente, cu aplicaţii practice în laseri, interferometrie, sisteme holografice ş.a.. FRED mai este renumit şi pentru capabilităţile de urmărire a aberaţiilor optice (stray light), în acest sens specificaţiile sistemului optic proiectat putând suporta o serie de proprietăţi fizice pentru a produce simulări realistice ale interacţiunii luminii: 14 modele de dispersie superficială şi volumetrică; 18 tipuri de materiale predefinite; 7 tipuri de acoperiri (tratamente de suprafaţă). După o primă simulare ,,raytrace’’, FRED poate considera ca intrări/stimuli razele de lumină deter­minate ca aberante/rătăcite la prima iteraţie şi va redesena vederea 3D a fasciculelor prin sistemul proiectat.

 Abilităţile de calculare şi de reprezentare a razelor distribuite l-au făcut potrivit şi pentru proiectarea de surse de lumină (fie ele cu filament, cu arc electric sau cu electro-luminescenţă). Şi dacă tot am ajuns la surse, remarcăm şi posibilitatea de a le defini atât radiometric cât şi fotometric (apropo de liceanul dualism undă-corpuscul), deci bine controlabile în privinţa iradianţei, intensităţii, iluminanţei şi culorii. Software-ul se descurcă foarte bine şi cu simularea fluorescenţei, care implică conversia luminii înspre/dinspre alte lungimi de undă (o facilitate intrinsecă şi la FRED fiind asignarea de lungimi de undă pe baze individuale fiecărei raze, facilitate ce se cuplează benefic cu aceea de modelare programabilă a dispersiei luminoase, inclusiv prin interpretarea curbei de emitere a luminii pe o bază probabilistică).

Software-ul este apreciat şi în comunitatea biomedicală, pe lângă atuurile de mai sus incluzând şi dispersia volumică Henyey-Greenstein (model excelent pentru studierea ţesuturilor vii). De altfel, soluţia include un catalog cu peste 50 de ţesuturi umane, cu parametri bine definiţi: modelul de dispersie, factorul anizotropic, coeficienţii de dispersie şi de absorţie etc.

La final, mai menţionăm la acest software (ajuns recent la versiunea 13.60) şi interfaţa OLE Automation Client/Server prin care poate interacţiona cu alte software-uri de cercetare (gen MATLAB and Mathematica).

Code V [Synopsys]

Veteranul, am putea spune despre software-ul ,,Code V’’, a ajuns la vârsta de patru decenii. Soluţia CAD de la Synopsys (creată de Optical Research Associates) are deci experienţă substanţială în proiectarea, analiza şi fabri­carea sistemelor optice. Din familie mai fac parte câteva software-uri: LightTools (pentru proiectarea surselor/corpurilor de iluminat); LucidShape (aplicabil mai ales farurilor auto, unde beneficiază de funcţia LucidDrive pen­tru simularea şofării pe timp de noapte) şi RSoft Design (soluţie deja clasică pentru proiectarea dispozitivelor şi a componentelor optice de telecomunicaţii şi a structurilor microscopice).

Revenind însă la ,,CODE V’’ îi remarcăm portofoliul de clienţi (din domeniul privat/comercial, agenţii guverna­mentale, laboratore de cercetare, universităţi). Maturitatea sa – concretizată în gama largă de opţiuni de proiectare, în interfaţa intuitivă şi adaptabilă, în viteza şi precizia algoritmilor, în suma de opţiuni implicite de proiectare – e un rezultat firesc al interacţiunii de ani de zile cu clienţii.

CODE V ne oferă facilităţi concrete pentru crearea de obiective: un ,,wizard’’ pentru definirea sistemelor de lentile; o colecţie de sisteme optice predefinite; un instru­ment de căutare inteligentă; o bibliotecă de component comerciale; o colecţie de modele de prisme optice şi de piese din sticlă; o serie de module de obiective ,,blackbox’’ (modelând o funcţie de transfer dar fără detaliere internă); opţiuni pentru definirea de proprietăţi privind formele suprafeţelor şi tratamentele superficiale; suport pentru managementul toleranţelor constructive; asistenţă pentru rezolvarea unor probleme tehnologice specifice.

Software-ul de la Synopsys excelează şi prin facilităţile de optimizare a proiectelor optice. CODE V este dotat cu algoritmi ce urmăresc convergenţa spre soluţia optimă de proiectare (precum Global Synthesis), dar şi cu module expert ce asistă la alegerea celor mai bune configuraţii şi împerecheri de lentile (Glass Expert) sau la găsirea celor mai bune localizări ale asfericităţilor (Asphere Expert). Tot aici s-ar încadra şi managerul de erori optice şi mecanice, ce poate gestiona erorile RMS şi varianţa frontului de undă (precizia putând fi echivalentă unei reiterări ,,Monte Carlo’’ de câteva mii de ori), blur-ul RMS, funcţia de transfer a modulării (MTF), eficienţa de opto-cuplare a fibrelor, toleranţele de asamblare a componentelor şi alte aspecte.

Facilităţi cheie ale lui CODE-V:

  • opţiuni implicite foarte aplicabile;
  • algoritmi precişi/eficienţi pentru modelarea razelor şi a difracţiei (Beam Synthesis Propagation);
  • modelare foarte bună a traseelor de lumină polarizată, inclusiv pentru materiale birefringente;
  • opţiuni avansate pentru diagnosticare/evaluare (inclusiv pentru aberaţii transversale sau diferenţe de traseu optic);
  • abilitatea de a urmări non-secvenţial traseele de lumină;
  • analiza de coerenţă parţială 1D şi 2D a imaginii;
  • analiza efectului de ,,narcisă’’, apărut atunci când senzorul de infraroşu vede eronat temperaturile datorită reflexiilor nedorite pe suprafeţele interne ale lentilelor etc.

 

TracePro [Lambda Research]

A împlinit recent 20 de ani! Mai mult, s-a născut ,,sub steaua" NASA, iar faptul că a trebuit să satisfacă acest prim beneficiar cam constituie o garanţie.

Caracteristic modelării sistemelor de iluminare cu TracePro este maniera iterativă, cu eventuale modificări între stagii, angajate manual sau prin criterii de optimizare 2D/3D controlabile de utilizator, vizând: aşezarea şi dimensiunile fizice ale componentelor de proiect, proprietăţile optice ale pieselor, caracteristicile surselor (grid, suprafaţă sau fascicul), cerinţele privind distribuţia luminii prin sistem etc.

Software-ul poate importa modele de component optice din fişiere CAD, dar permite şi crearea directă de geometrii TracePro (lentile, oglinzi, lentile Fresnel). Toate obiectele, importate sau native, suportă modificări prin interfaţa 3D intuitivă. Acestor obiecte li se pot asocia (prin specificare sau prin preluare din biblioteci) materiale şi proprietăţi de suprafeţe, cu accent pe aspectele optice: indice de refracţie, coeficient de absorţie, apertura de difracţie, coeficienţi de reflectanţă/transmitanţă, gradul de dispersie, polarizare, fluorescenţă, indexul degradé, distribuţia de temperatură ş.a.m.d. Facilitatea ,,RepTile’’ îngăduie crearea de suprafeţe cu structuri repetate aleator/periodic.

Şi TracePro este capabil să simuleze în mod avansat distribuţiile atributelor pentru sursele de lumină (intensitate, iradianţă/iluminanţă, flux) cu care va complete modelele fasciculelor traversând sistemul optic proiectat. După definitivarea simulării, software-ul furnizează şi o serie de instrumente pentru analiza traseelor de lumină: hărţi arătând radiaţia incidentă, absorbită şi ieşită din orice suprafaţă optică; hărţi ale luminanţei/radianţei (fie în reprezentare cu scară color pentru lungimile de undă, fie respectând fotorealismul elementelor optice şi ale surselor de lumină); reprezentări ale intensităţii fluxului luminos sau ale intensităţii radiaţiei (în candel sau în watt/steradian); hărţi ale polarizării fasciculelor (evidenţiind elipsa de polarizare) şi cu degradéuri cromatice scalând gradul de polarizare ş.a.. Plus abilităţile de filtrare a analizelor, de separare a entităţilor vizate, ori de mixare a reprezentărilor. La acestea se adaugă şi facilităţile de raportare, combinând diverse aspecte, în maniere analitice ori sintetice.

Aici trebuie menţionată şi soluţia TracePro Bridge, care este un add-on instalabil pe SolidWorks, ce permite utilizatorilor să gestioneze proprietăţi optice direct în platforma MCAD. Firesc, abordarea are avanaje atunci când accentul cade pe procesele din avalul concepţiei (sub)sistemului optic (integrare în ansambluri mari; analize de comportament mecanic sau termic; simulări şi preparări tehnologice; diseminarea modelelor CAD ş.a.).

OSLO [Lambda Research]

Optics Software for Layout and Optimization (OSLO) este veteranul familiei de soluţii optice furnizate de Lambda Research Corporation (creat iniţial la Universitatea din Rochester, în urmă cu patru decenii). Acesta a fost primul software ce a îngăduit proiectarea profesională a sistemelor optice pe calculatoare personale (cu sisteme de operare UNIX, DOS şi, mai apoi, Windows).

OSLO excelează în determinarea dimensiunilor şi a formelor pentru lentile şi pentru alte componente optice (putând modela practic orice piesă cu proprietăţi reflec­tive, refractive şi difractive). La facilităţile tradiţionale de proiectare a obiectivelor de camere foto/video, software-ul a adăugat în timp o serie de abilităţi evoluate: un ray-trac­ing rafinat; unelte de simulare şi de analizare a compor­tamentului luminii; metode de optimizare a proiectului; un limbaj de macro-uri (SCP) capabil să rezolve rapid o mulţime de probleme locale. Pe lângă acel SCP, avem aici şi un limbaj de programare compilată, CCL, cu care se pot crea instrumente particulare pentru modelarea, testarea şi fabricaţia sistemelor optice. Mai mult, OSLO a reuşit să ţină pasul cu vremurile, fiind astăzi capabil să colaboreze şi cu software-uri folosite la proiectarea de produse electronice sau de procesare a imaginilor.

RayCAD/AutoRay

Acest software s-a adresat de la începuturi (1992-1993) celor ce aveau nevoie de o soluţie pentru optică dar integrată în mediul proiectării părţii mecanice. Dacă iniţial platforma CAD vizată a fost AutoCAD-ul, ulterior a apărut şi o versiune RayCAD pentru software-ul Autodesk Inventor. Reţinem că proiectarea subsistemului optic în context CAD/MCAD constituie o premisă pentru satisfa­cerea cerinţei de minimizare a gabaritului (de concepere a unor produse foarte compacte).

Aşa cum îi sugerează şi numele, principala abilitate a soluţiei se referă la modelarea fasciculelor de lumină (inclusiv prin asocierea diverselor lungimi de undă), la aceasta adăugându-se firesc modelarea de suprafeţe optice şi posibilitatea de a gestiona simultan mai multe surse de lumină, totul într-un spaţiu virtual 3D. Pe lângă faptul că putem defini de la zero componente optice (cu proprietăţi specificate şi controlabile parametric), RayCAD include şi o bibliotecă cu sute de articole de la furni­zori consacraţi, precum lentilele Melles Griot sau piesele asferice de la Corning. (Apropo, software-ul poate gestiona asfericităţi pare/impare cu până la 8 coeficienţi. Şi dacă tot suntem în paranteză ,,asferică’’, reţinem esenţialul: forma neobişnuită a lentilei asferice îi permite să înlocuiască practic un grup de lentile tradiţionale. Deşi au peste patru secole, acestea au pătruns în sfera comercială de-abia după 1956.) De fapt, software-ul integrează în mediul CAD mai toate facilităţile deja clasice pentru domeniul proiectării de sisteme optice (referitoare inclusiv la optimizări prin ajustări de poziţii şi forme, la generarea diagramelor de analiză a performanţei optice, la difracţia lungimilor de undă ş.a.m.d.). Acestora li se adaugă aspecte MCAD benefice, precum renderizarea capabilă să simuleze transparenţe, difuzii, reflexii, refracţii şi umbriri.

De menţionat este şi posibilitatea de a importa/exporta fişiere native ZEMAX.

Optica [WOLFRAM/Donald Barnhart]

Donald Barnhart a creat în 1991 această soluţie folosind platforma software Mathematica de la Wolfram Research (un mediu virtual de calcul destinat cercetării ştiinţifice şi tehnice, bazat pe simboluri matematice). De-atunci ,,Optica’’ a evoluat, ajungând astăzi – spre exemplificare – să includă o bibliotecă cu peste 6800 de componente optice comerciale. Desigur, utilizatorul îşi poate defini propriile componente, fie ele lentile, suprafeţe optice, cavităţi rezonante, ori fibre optice etc. De asemenea, dacă cineva nu găseşte în colecţia Optica vreo funcţie de simulare/analiză mai particulară, o va putea uşor construi, graţie arhitecturii modulare (specifice atât lui Optica, cât şi platformei Mathematica).

Pachetul de entităţi predefinite din „Optica”:

  • 122 de componente optice;
  • 38 de lentile;
  • 23 de oglinzi;
  • 22 de prisme;
  • 12 surse de lumină;
  • 22 de funcţii de nivel înalt

 

SPEOS; OptisWorks [OPTIS]

Deşi nu au notorietatea soluţiilor anterioare, software-urile de la OPTIS sunt prezente de un sfert de secol în segmentul de piaţă al soluţiilor optice integrate în aplicaţiile CAD/CAM/CAE consacrate (CATIA, SolidWorks, PTC Creo), cu avantajele deja bănuite/menţionate. Ne aşteptăm deci să putem crea direct în proiectul MCAD componente optice (lentile, filtre, oglinzi, diafragme etc), să putem insera surse şi detectoare de lumină şi apoi să le putem analiza performanţa optică (inclusiv urmărind dia­grame spot, funcţii de modulare/transfer, erori ale frontu­rilor de undă etc). Astfel că vom optimiza pe loc sistemul opto-mecanic proiectat, sau vom derula eventualul studiu necesar altor scopuri decât proiectarea.


Mircea Băduț este inginer, consultant CAD/IT



Accept cookie

Acest site web utilizează module cookie în scopuri funcţionale, de confort şi statistică.

Dacă sunteţi de acord cu această utilizare a modulelor cookie, faceţi clic pe "Da, sunt de acord". Termeni si conditii

Nu sunt de acord Accept doar cookie functional Da, sunt de acord