光學系統優化的案例
離軸反射式光學系統面型選擇及其優化 | SYNOPSYS 光學設計軟件課程第67課
<p>根據現代<span style="color: var(--weui-LINK);">光電信息技術</span>對信息發送、接收、轉換、傳遞與存儲功能的特殊需求，光學面形可由不規則、復雜非對稱的自由曲面隨意組合而成。光學中的自由曲面是指無法用球面或非球面系數來表示的曲面，主要是指任意非傳統、非對稱的曲面，以及微結構數組和參數向量表示的任何形狀的曲面。</p><p> </p><p>采用先進的數控超精密制造技術可直接加工出自自由曲面光學鏡面，能達到亞微米量級面形精度與納米量級的表面粗糙度。</p><p> </p><p>自由曲面廣泛的應用在以下領域：投影鏡頭、衍射光學器件、頭盔式顯示器、車燈反射面、LED 照明系統、汽車 HUD 抬頭顯示、離軸系統等等。</p><p> </p><p>本文將在課程六十六中的自由曲面初始結構的基礎上展示使用 SYNOPSYS 軟件進行離軸反射式光學系統設計以及優化過程。</p><p> </p><p>首先這里展示選取特殊面型作為反射鏡的方式：以上次課程中的優化宏為例： </p><p><br></p><p><strong><img src="https://mmbiz.qpic.cn/sz_mmbiz_png/sITFjEClTzAvwIeLdeYia5plHMVOx6TxbUN8icZIR2icFxuMnlMKNsyYTqvp0H21oDXJNEGbDavsqIZ14Aa09PbHA/640?
展開 Ansys Zemax | 大功率激光系統的 STOP 分析1：如何使用 OpticStudio 優化光學設置
然后，我們執行全局優化，以實現具有合理光斑尺寸的系統。從 RMS 與視場分析中，我們看到系統的性能現在達到衍射極限。這只是 OpticStudio 全局搜索算法所發現的眾多可能的設計備選方案之一。
準備進一步分析
現在對最終優化的系統稍作調整，為接下來的設計和分析做準備。我們將只在軸上情況下使用該系統，所以除了 0 度之外的所有視場都被刪除了。在鏡頭前 40mm 處添加一個 X 傾斜角為 -90 度的反射鏡，并設置為系統光闌。將入瞳直徑減小到 18mm，并為所有光學元件分配 12.7mm 的固定半直徑（直徑25.4mm）。
打開 表面 #4 的 “表面屬性……繪圖（Surface Properties…Draw）” 選項卡，將 “厚度” 設置為 2.65mm。此設置不僅會影響序列模式下布局窗口中的繪圖，還會在將系統轉換為非序列模式時定義反射鏡的厚度。
如果不考慮鏡頭中的溫度變化，系統的聚焦在一定焦深范圍內是穩定的。這可以從 RMS 與聚焦的分析中看出，如下圖所示：
序列設計現在已經完成。您可以在文章附件中找到此文件 “Lens-3P_D25.4_2022.zar”，以供您參考。
結論
我們已經設置了我們的序列模式光學系統，并優化了其光學性能。下一步是準備我們的系統，以導出到 CAD 軟件中進行機械封裝設計。
展開 光學系統像質受雜散光干擾？OAS 光學軟件剖析解難題
庫克三片式案例分析
簡介
在光學系統設計與優化過程中，雜散光的分析與控制是確保系統成像質量和性能的關鍵環節。庫克三片式鏡頭作為經典的光學結構，在眾多光學領域中具有廣泛的應用。然而，其復雜的光學元件組合和光線傳播路徑，使得雜散光的產生難以避免，從而影響系統的成像清晰度和對比度。本案例旨在利用 OAS 光學軟件對庫克三片式鏡頭進行精確的雜散光分析，為優化光學系統性能提供科學依據。
案例設置與操作
參數配置
本案例中的庫克三片式鏡頭采用半孔徑為 9mm 的平行光源作為輸入。為模擬真實的光學環境，選取了三個典型波長，分別為 0.486μm、0.587μm、0.656μm，覆蓋了可見光波段的關鍵區域。同時，為了更準確地模擬光線在鏡片表面的反射和透射特性，對三個透鏡均賦予了堆棧膜層。這些膜層通過精確的光學薄膜設計，能夠有效控制光線的反射和透射比例，是模擬實際光學系統雜散光產生機制的重要參數。
光線追跡設置
在本案例中，通過軟件內置的光線追跡算法，對從平行光源發出的光線進行追蹤。軟件可根據設定的光學元件參數和膜層特性，準確計算光線在各個鏡片表面的反射、折射和透射情況，為雜散光分析提供基礎數據。
鬼像探測器配置
在本次分析中，對鬼像探測器進行了針對性的光線過濾設置，將分裂級次大于等于 2 作為過濾條件。這一設置能夠有效篩選出那些經過多次反射和折射，對雜散光產生有重要影響的光線。通過對這些特定光線的追蹤和分析，可清晰識別出系統中潛在的雜散光來源和傳播路徑。
庫克三片式 雜散光分析的三維追跡圖
庫克三片式 雜散光分析的鬼像探測器結果圖
庫克三片式 雜散光分析的探測器結果圖
總結
以上案例詳細呈現了 OAS 軟件在庫克三片式雜散光分析中的應用。
展開 Ansys Innovation大會分會場 | 光學與視覺、系統軟件
光學仿真是產品設計師應用的關鍵工具之一，能讓用戶在制作物理原型之前就通過數字環境體驗產品。Ansys 光學仿真解決方案不僅能有效幫助用戶提高設計效率，還能對光線與材料的交互進行仿真，以便了解產品在真實條件下的展示效果。Ansys SPEOS，作為Ansys光學仿真解決方案的旗艦產品，讓用戶以全新視角看待光學仿真，實現在多物理場環境中體驗用于光學系統優化和驗證的光學仿真，可預測系統的照明效果和光學性能，節省原型制作時間和成本，提高產品效率，輕松解決復雜的光學問題。
隨著“軟件定義產品”時代的來臨，軟件在產品中所占比重及重要性急劇提升，隨之而來的是對軟件安全性、研制效率的巨大挑戰；同時數字化轉型將是企業轉型與變革的重要趨勢，數字孿生將是數字轉型的重要抓手。系統與軟件專場將為您帶來基于模型、形式化等方法應對高安全軟件研制的挑戰，基于仿真的數字孿生技術助力數字化轉型。
本次Ansys Innovation大會18大分會場專題中也將涵蓋18場來自光學與視覺、系統軟件分會場的主題內容，屆時將由Ansys海內外技術專家、企業客戶嘉賓傾力呈現精彩報告。歡迎報名！
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第十二屆“宇瞳杯”光學設計大賽--中波紅外成像光學系統設計
所得到的組合后的二維圖如下：
將光闌放置在冷光闌位置，控制系統焦距，對鏡片形狀進行優化，逐步增加視場角，從而獲取到一個視場角滿足要求的光學系統初始結構，隨后，我們通過增加非球面鏡片，控制總長為180，進一步優化光學系統。優化后的光學系統結構圖如下所示：
MTF如下圖：
圖13.系統MTF曲線圖
然后再做無熱化設計。設置三重組態，將材料設置為hammer，優化玻璃。最終的二維如下圖所示。
20℃MTF
-40℃MTF
60℃MTF
畸變圖
最后，有相關需求，歡迎通過公眾號“320科技工作室”與我們聯絡。
展開 Ansys Zemax | 如何優化非序列光學系統
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概要
本文提出 了一種優化非序列光學系統的方法。 推薦的方法是使用像素插值(Pixel Interpolation)、探測器數據合集(光照時刻數據)和正交下降優化器。 例如，優化一個自由曲面反射鏡，使 LED 的亮度從23 Cd 到大于250 Cd只需幾步。
簡介
OpticStudio 的優化功能允許用戶通過將系統參數設為變量，在評價函數編輯器中定義性能標準來改進設計。這個過程會對設計產生巨大的影響，所以選擇合適的變量和標準非常重要。序列模式和非序列模式中可用的標準類型有所不同。本文為非序列系統的優化提供了一種建議方式。
例如，通過優化自由曲面反射鏡，最大限度地將 LED 的亮度從23 Cd 提高到大于250 Cd，只需幾分鐘。
阻尼最小二乘法與正交下降法對比
OpticStudio 中有兩種局部優化算法 :阻尼最小二乘法(DLS) 和 正交下降法(OD) 。DLS 運用數值微分計算，在一個較小的評價函數設計的解空間里確定優化方向。這種梯度方法是為光學系統設計專門開發的，被推薦用于所有成像和經典光學優化問題。然而，在純非序列系統優化中，由于采用像素探測器進行探測，DLS 的優化效果較差。并且評價函數本身是不連續的，這也可能導致梯度搜尋方法失敗。
下面是當評價函數只有一個變量時，對非序列系統的評價函數進行查看 。
可以看出，很長一段區間內評價函數根本沒有變化，發生的變化是突然且不連續的。這使得通過梯度搜尋方法進行優化變得困難。
正交下降優化利用變量的正交化和解空間的離散采樣來降低評價函數值。OD 算法不計算評價函數的數值微分。
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本文提出
了一種優化非序列光學系統的方法。
推薦的方法是使用像素插值(Pixel Interpolation)、探測器數據合集(光照時刻數據)和正交下降優化器。
例如，優化一個自由曲面反射鏡，使 LED 的亮度從23 Cd 到大于250 Cd只需幾步。
(聯系我們獲取文章附件)
簡介
OpticStudio 的優化功能允許用戶通過將系統參數設為變量，在評價函數編輯器中定義性能標準來改進設計。這個過程會對設計產生巨大的影響，所以選擇合適的變量和標準非常重要。序列模式和非序列模式中可用的標準類型有所不同。本文為非序列系統的優化提供了一種建議方式。
例如，通過優化自由曲面反射鏡，最大限度地將 LED 的亮度從23 Cd 提高到大于250 Cd，只需幾分鐘。
阻尼最小二乘法與正交下降法對比
OpticStudio 中有兩種局部優化算法
:阻尼最小二乘法(DLS)和
正交下降法(OD)。DLS 運用數值微分計算，在一個較小的評價函數設計的解空間里確定優化方向。這種梯度方法是為光學系統設計專門開發的，被推薦用于所有成像和經典光學優化問題。然而，在純非序列系統優化中，由于采用像素探測器進行探測，DLS 的優化效果較差。并且評價函數本身是不連續的，這也可能導致梯度搜尋方法失敗。
下面是當評價函數只有一個變量時，對非序列系統的評價函數進行查看。
可以看出，很長一段區間內評價函數根本沒有變化，發生的變化是突然且不連續的。這使得通過梯度搜尋方法進行優化變得困難。
正交下降優化利用變量的正交化和解空間的離散采樣來降低評價函數值。OD 算法不計算評價函數的數值微分。對于評價函數存在原本噪聲的系統而言，例如非序列系統，OD 通常比 DLS 算法要好。
展開 Ansys Zemax | 光學系統設計中如何使用玻璃替換方法來優化玻璃
通過使用玻璃替換模板，您可以確保選擇的玻璃不僅僅符合光學標準，還符合其他重要標準。
Ansys Zemax | 光學系統設計中如何使用玻璃替換方法來優化玻璃
通過使用玻璃替換模板，您可以確保選擇的玻璃不僅僅符合光學標準，還符合其他重要標準。
定焦投影物鏡設計以及優化 | SYNOPSYS 光學設計軟件第68課
第一步是確定設計目標參數，以下為本次設計的目標：
波長：F，D，C（visible）
F#：2.4
工作距離：850mm
像高：11.363mm
物高：422mm
焦距：25mm
半視場角：26.4°
系統總長：不超過125mm（保護玻璃厚度25mm ）
鏡片數：不超過10片
CRA：<0.2°
全視場畸變:<0.5%
全視場MTF：>0.4@46lp/mm
全視場相對照度:>80%
根據要求設置定焦鏡頭初始結構的搜索宏文件：
【評論留言聯系工作人員獲取代碼】
運行搜索宏可以得到10個初始結構，選擇合適的初始結構：
現在查看像差指標是否達到設計要求，分析數據結果來針對性的進行對光學系統的優化：
基本參數
全視場MTF：@46lp/mm（1視場未達到標準）
畸變（1%左右未達到要求）
相對照度（在0.6左右，未達到要求）
針對以上的像差分析后，先利用初始系統生成的優化宏進行初步的優化退火過程，模擬退火參數：50 20 50
得到以下結構：
插入真實玻璃：
針對性地對分析指標進行優化宏的修改，增加控制指令命令行（修改評價函數權重控制 MTF，通過增加命令行以及對應命令行權重來控制系統畸變）：
優化完畢后在第7表面前插入光闌（如下圖），并注釋掉光闌優化變量，繼續進行優化：
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優化后得到以下結構：
查看像差指標:
基本參數
全視場MTF：@46lp/mm（>
展開 光學系統總體布局設計方法
一、 前言
光學系統，特別對一個比較復雜的光學系統，在系統設計初期就必須根據光學儀器總體要求利用光學系統基本結構元件，合理安排系統光路走向，完成光學系統總體布局設計，然后才是光學系統具體結構設計，像差平衡以致適當公差分配，最終獲得一個結果與性能俱佳的優質光學系統。一個較復雜的光學系統，往往不只是幾片簡單光學零件的組合，有時還可能是各種不同變焦系統結構，甚至還會有各種不同要求的多光譜，共軸或非共軸的多個子系統結合的多光路系統的融合，才能滿足光學儀器總體的多功能需求。OCAD光學系統自動設計程序提供了一個具有特色的光學系統總體布局平臺，可以利用光學系統的各種結構元件合理布局構建光學系統草圖，直接顯示并方便協調光線走向，實現光學原理，使得在光學系統設計的初期完成光學系統總體布局初始設計，接著還可以利用OCAD程序的其他初始結構設計功能完成光學系統初始結構參數設計，為下一步光學系統成像質量優化及其他后期設計打下基礎。
圖1-1 一般光學系統總體布局設計平臺界面
圖1-2 連續變焦光學系統總體布局（顯示凸輪曲線）界面
圖1-3 多光路光學系統總體組合布局界面
二、 光學系統的設計輸入
在進行光學系統設計之前，首先需要明確總體對光學系統的技術要求，也稱為設計輸入參數，這些屬于整個光學系統設計的依據。其中包括：光學系統的類型、系統目標特性、系統像方特性、光學系統總體布局要求以及對光學系統通光量的要求等。
有了以上設計要求方能著手光學系統的方案設計。以往的這段工作都是由設計人員在紙面上構思，反復進行光學系統總體勾畫，選擇最佳方案。目前有了OCAD光學系統自動設計程序，有效地提供了初始方案草圖設計的平臺。使用時只需在該程序的工具條里選擇“光學系統總體布局設計”的功能就可順利完成光學系統總體方案設計工作。
展開 
光學系統總體布局設計方法
一、 前言
光學系統，特別對一個比較復雜的光學系統，在系統設計初期就必須根據光學儀器總體要求利用光學系統基本結構元件，合理安排系統光路走向，完成光學系統總體布局設計，然后才是光學系統具體結構設計，像差平衡以致適當公差分配，最終獲得一個結果與性能俱佳的優質光學系統。一個較復雜的光學系統，往往不只是幾片簡單光學零件的組合，有時還可能是各種不同變焦系統結構，甚至還會有各種不同要求的多光譜，共軸或非共軸的多個子系統結合的多光路系統的融合，才能滿足光學儀器總體的多功能需求。OCAD光學系統自動設計程序提供了一個具有特色的光學系統總體布局平臺，可以利用光學系統的各種結構元件合理布局構建光學系統草圖，直接顯示并方便協調光線走向，實現光學原理，使得在光學系統設計的初期完成光學系統總體布局初始設計，接著還可以利用OCAD程序的其他初始結構設計功能完成光學系統初始結構參數設計，為下一步光學系統成像質量優化及其他后期設計打下基礎。
圖1-1 一般光學系統總體布局設計平臺界面
圖1-2 連續變焦光學系統總體布局（顯示凸輪曲線）界面
圖1-3 多光路光學系統總體組合布局界面
二、 光學系統的設計輸入
在進行光學系統設計之前，首先需要明確總體對光學系統的技術要求，也稱為設計輸入參數，這些屬于整個光學系統設計的依據。其中包括：光學系統的類型、系統目標特性、系統像方特性、光學系統總體布局要求以及對光學系統通光量的要求等。
有了以上設計要求方能著手光學系統的方案設計。以往的這段工作都是由設計人員在紙面上構思，反復進行光學系統總體勾畫，選擇最佳方案。目前有了OCAD光學系統自動設計程序，有效地提供了初始方案草圖設計的平臺。
展開 光學系統總體布局設計方法
一、前言
光學系統，特別對一個比較復雜的光學系統，在系統設計初期就必須根據光學儀器總體要求利用光學系統基本結構元件，合理安排系統光路走向，完成光學系統總體布局設計，然后才是光學系統具體結構設計，像差平衡以致適當公差分配，最終獲得一個結果與性能俱佳的優質光學系統。一個較復雜的光學系統，往往不只是幾片簡單光學零件的組合，有時還可能是各種不同變焦系統結構，甚至還會有各種不同要求的多光譜，共軸或非共軸的多個子系統結合的多光路系統的融合，才能滿足光學儀器總體的多功能需求。OCAD光學系統自動設計程序提供了一個具有特色的光學系統總體布局平臺，可以利用光學系統的各種結構元件合理布局構建光學系統草圖，直接顯示并方便協調光線走向，實現光學原理，使得在光學系統設計的初期完成光學系統總體布局初始設計，接著還可以利用OCAD程序的其他初始結構設計功能完成光學系統初始結構參數設計，為下一步光學系統成像質量優化及其他后期設計打下基礎。
圖1-1 一般光學系統總體布局設計平臺界面
圖1-2 連續變焦光學系統總體布局（顯示凸輪曲線）界面
圖1-3 多光路光學系統總體組合布局界面
二、光學系統的設計輸入
在進行光學系統設計之前，首先需要明確總體對光學系統的技術要求，也稱為設計輸入參數，這些屬于整個光學系統設計的依據。其中包括：光學系統的類型、系統目標特性、系統像方特性、光學系統總體布局要求以及對光學系統通光量的要求等。
有了以上設計要求方能著手光學系統的方案設計。以往的這段工作都是由設計人員在紙面上構思，反復進行光學系統總體勾畫，選擇最佳方案。目前有了OCAD光學系統自動設計程序，有效地提供了初始方案草圖設計的平臺。
展開 光學系統總體布局設計方法
光學系統，特別對一個比較復雜的光學系統，在系統設計初期就必須根據光學儀器總體要求利用光學系統基本結構元件，合理安排系統光路走向，完成光學系統總體布局設計，然后才是光學系統具體結構設計，像差平衡以致適當公差分配，最終獲得一個結果與性能俱佳的優質光學系統。一個較復雜的光學系統，往往不只是幾片簡單光學零件的組合，有時還可能是各種不同變焦系統結構，甚至還會有各種不同要求的多光譜，共軸或非共軸的多個子系統結合的多光路系統的融合，才能滿足光學儀器總體的多功能需求。OCAD光學系統自動設計程序提供了一個具有特色的光學系統總體布局平臺，可以利用光學系統的各種結構元件合理布局構建光學系統草圖，直接顯示并方便協調光線走向，實現光學原理，使得在光學系統設計的初期完成光學系統總體布局初始設計，接著還可以利用OCAD程序的其他初始結構設計功能完成光學系統初始結構參數設計，為下一步光學系統成像質量優化及其他后期設計打下基礎。
一、 前言
有了以上設計要求方能著手光學系統的方案設計。以往的這段工作都是由設計人員在紙面上構思，反復進行光學系統總體勾畫，選擇最佳方案。目前有了OCAD光學系統自動設計程序，有效地提供了初始方案草圖設計的平臺。使用時只需在該程序的工具條里選擇“光學系統總體布局設計”的功能就可順利完成光學系統總體方案設計工作。
在進行光學系統設計之前，首先需要明確總體對光學系統的技術要求，也稱為設計輸入參數，這些屬于整個光學系統設計的依據。其中包括：光學系統的類型、系統目標特性、系統像方特性、光學系統總體布局要求以及對光學系統通光量的要求等。
展開 光學系統設計總體布局設計方法
一、 前言
光學系統，特別對一個比較復雜的光學系統，在系統設計初期就必須根據光學儀器總體要求利用光學系統基本結構元件，合理安排系統光路走向，完成光學系統總體布局設計，然后才是光學系統具體結構設計，像差平衡以致適當公差分配，最終獲得一個結果與性能俱佳的優質光學系統。一個較復雜的光學系統，往往不只是幾片簡單光學零件的組合，有時還可能是各種不同變焦系統結構，甚至還會有各種不同要求的多光譜，共軸或非共軸的多個子系統結合的多光路系統的融合，才能滿足光學儀器總體的多功能需求。OCAD光學系統自動設計程序提供了一個具有特色的光學系統總體布局平臺，可以利用光學系統的各種結構元件合理布局構建光學系統草圖，直接顯示并方便協調光線走向，實現光學原理，使得在光學系統設計的初期完成光學系統總體布局初始設計，接著還可以利用OCAD程序的其他初始結構設計功能完成光學系統初始結構參數設計，為下一步光學系統成像質量優化及其他后期設計打下基礎。
圖1-1 一般光學系統總體布局設計平臺界面
圖1-2 連續變焦光學系統總體布局（顯示凸輪曲線）界面
圖1-3 多光路光學系統總體組合布局界面
二、 光學系統的設計輸入
在進行光學系統設計之前，首先需要明確總體對光學系統的技術要求，也稱為設計輸入參數，這些屬于整個光學系統設計的依據。其中包括：光學系統的類型、系統目標特性、系統像方特性、光學系統總體布局要求以及對光學系統通光量的要求等。
有了以上設計要求方能著手光學系統的方案設計。以往的這段工作都是由設計人員在紙面上構思，反復進行光學系統總體勾畫，選擇最佳方案。目前有了OCAD光學系統自動設計程序，有效地提供了初始方案草圖設計的平臺。
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