Soluţii CAD pentru optică

Software-urile avansate destinate proiectării de dispozitive optice sunt capabile să lucreze cu piese optice clasice (lentile sferice/cilindrice, prisme, oglinzi, filtre) dar și să modeleze componente neconvenționale (precum lentilele asferice, acoperirile de suprafețe sau ghidajele optice din ochelarii de realitate augmentată/mixată).

Modelarea optică

Asistenţa la proiectarea dispozitivelor/siste­melor optice este benefică în primul rând pentru rezolvarea unor probleme de concepţie, respectiv prin simularea și verificarea unor variante con­ceptuale înainte de materializare (,,sistemul optic chiar se comportă cum ne așteptăm?"). Însă aceste soluţii CAD pot fi foarte utile şi pentru pregătirea producţiei de serie, industriale, respec­tiv prin detalierea constructivă a reperului (forme, distanţe și dimensiuni, inclusiv pentru carcasă și pentru elementele non-optice), sau chiar pentru detaliere tehnologică (fabricaţie), ceea ce presu­pune integrarea (fie în flux direct, fie prin export/ import) în soluţiile MCAD de întreprindere.

Pe lângă componentele optice convenţionale (lentile, prisme, oglinzi, etc – pe care deseori le are organizate într-o bibliotecă de piese standardizate, eventual corelată on-line cu bibliotecile de produse ale furnizorilor consacraţi, și controlând parametric inclusiv proprietăţile optice/fizice, nu doar dimensi­unile) software-ul CAD din această categorie poate să integreze în proiect și componente speciale: surse de lumină (controlând intensităţi dar și lungimi de undă); detectori de lumină; senzori de imagine CCD/ CMOS (controlând dimensiuni dar și sensibilităţi); reţele de difracţie; etc. De obicei proiectarea decurge (așa cum ne-am aștepta) oarecum similar unei proiectări de ansamblu mecanic într-un software MCAD, cu diferenţa esenţială că aici componen­tele aduse/construite în scena virtuală se aliniază după una sau mai multe căi optice, iar software-ul va modela explicit aceste fascicole de lumină, urmărindu-le de la intrare (considerând o sursă de lumină punctuală sau planară) până la capăt (până la un senzor optic, până la un ecran, sau până la ieșire). La fiecare trecere a fascicolului de lumină printr-o piesă optică, aplicaţia știe să îi aplice aces­tuia procesul specific piesei (deviere unghiulară, dispersie, reflexie, refracţie, filtrare, polarizare, etc). Desigur, după alcătuirea iniţială a ansamblului urmează imediat validarea funcţională a concep­tului optic, iar apoi utilizatorul va putea să probeze diverse variante de proiect (scenarii what-if deru­late pentru găsirea variantei optime, după norme generale sau după criterii speciale/particulare) prin modificarea diverșilor parametrii: poziţii ale pieselor optice; înlocuirea pieselor optice (sau doar varierea parametrilor optici); intensitatea sursei de lumină; sensibilitatea senzorului/detectorului, etc.

De asemenea, tot prin parametrizări ale con­ceptului se poate supune modelul optic la diverse situaţii particulare/extreme (variaţii ale sursei de lumină, ca intensitate, lungime de undă, polarizare, unghi de intrare; alterări ale proprietăţilor fizico-optice prin efect termic; eventuale degradări ale proprietăţilor fizico-optice prin îmbătrânire; interferenţe/compuneri; ș.a.). Desigur, problemele identificate vor fi adresate conform uzanţelor din dome­niu (precum recurgerea la sticle cu parametri diferiţi, tratamentele superfi­ciale, etc) sau vor fi reiterate din aproape în aproape acele variante parame­trice care ameliorează aspectele urmărite. Notăm că anumite software-uri includ asistenţi inteligenţi pentru selectarea sticlei pentru dispozitivul optic proiectat, la fel cum uneori vom întâlni facilităţi speciale pentru identificarea și tratarea astigmatismelor şi a aberaţiilor optice.

Cu oarece experienţă din partea utilizatorului, se poate ajunge la rafinamente de modelare, pre­cum detectarea razelor de lumină parazite din inte­riorul dispozitivului optic sau minimizarea reflexiilor nedorite din incintă (prin tratări ale formelor/ rugozităţilor pereţilor, prin folosirea de filtre sau prin aplicarea de tratamente la suprafeţele optice).

Soluţii software consacrate

• Synopsys CODE V – este recunoscut pentru modelarea și analiza extrem de precisă a propagării fascicolului optic, precum și pentru abilităţile de optimizare a proiectelor (vedeţi Global Synthesis); vizualizările 3D ale modelului pot fi completate grafic de simulări ale difracţiilor de lumină, dar şi cu reprezentări grafice/tabelare extensive ale proprietăţilor și comportamentelor pentru com­ponentele optice din biblioteca integrată; pentru proiecte mai neobișnuite se poate recurge la mo-delarea nesecvenţială a suprafeţelor; suport pen­tru fabricaţie (inclusiv pentru turnare/șlefuire piese optice nestandardizate).

• Zemax OpticStudio – este probabil cel mai cunoscut software de proiectare optică rulând pe platforma Microsoft Windows, având numeroase aplicări atât pentru proiectarea de dispozitive optico-imagiste cât şi pentru sisteme de iluminat. De remarcat în mod special abilităţile de proiectare a formelor neconvenţionale, de analizare a luminii parazite și de studiere a aberaţiilor. De asemenea, optimizarea sistemului optic proiectat (pe baza constrângerilor definite de utilizator și a obiectivelor de proiectare) poate viza și verificarea fabricabilităţii (incluzând și analiza toleranţelor optice, folosind algoritmi gen Monte Carlo). (Aici menţionăm și software-ul Zemax OpticsBuilder, cu care utilizatorii pot converti pe loc piesele optice din sesiunea OpticStudio în componente native CAD, facilitând proiectarea componentelor mecanice care susţin/fixează piesele optice.)

• Lambda Research TracePro – cu interfaţa sa de tip 3D CAD, TracePro este renumit ca un soft­ware foarte practic pentru proiectarea și analizarea sistemelor optice și de iluminat.
• Lambda Research OSLO (Optics Software for Layout and Optimization) – este cunoscut ca fiind cel mai avansat software pentru proiec­tarea optimală a lentilelor și obiectivelor optice. OSLO combină algoritmii ray-tracing cu metodele de analiză și de optimizare (implementate într-un foarte rapid limbaj compilat intern) pentru rezolvarea de probleme particulare/spinoase în proiectarea optică (colaborând ideal cu TracePro pentru a oferi un mediu de proiectare complet).

• Lambda Research RayViz – este un add-in destinat platformei SolidWorks, ceea ce înseamnă că beneficiem de funcţiunii elementare de modelare optică în chiar renumitul mediu MCAD.
• COMSOL Multiphysics – deși nu este des­tinat în mod special fotonicii, software-ul poate fi folosit cu succes pentru simularea fasciculelor optice la proiectarea de dispozitive optice și pro­cese inginerești (atât pentru producţie industrială cât și pentru cercetare).

Produse optice (beneficiare de CAD optic):

• microscoape (pentru biologie și medicină);
• lunete și binocluri (de uz general sau profesional);
• camere foto și camere video (independente sau integrate în smartphone-uri și tablete);
• telescoape pentru astronomie (unicate sau produse de serie);
• videoproiectoare (de uz general sau profesional);
• surse de lumină artificială (optimizări LED);
• ochelari pentru realitate virtuală/mixată/augmentată;
• detectoare optice de substanţe (poluanţi atmosferici);
• dispozitive spectroscopice și senzori pentru analize multispectrale (pentru biomedicină, industrie alimentară, agricultură, ecologie, etc);
• dispozitive medicale: endoscopie; imagistică medicală cu raze X; micros­copie chirurgicală; surse de laser (pentru oftalmologie, stomatologie, derma­tologie, neurologie); etc.
• dispozitive LiDAR (pentru asistenţă la navigare aeriană sau rutieră);
• sisteme de controlare inerţială a navigaţiei aeriene;
• dispozitive industriale: camere video pentru monitorizare procese de producţie; sortare/recunoaștere forme; verificarea calităţii suprafeţelor; verificări dimensionale; cuplaje de fibră optică; ș.a.m.d.