非序列光學(xué)建模的案例
Ansys Zemax | 如何優(yōu)化非序列光學(xué)系統(tǒng)
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概要
本文提出 了一種優(yōu)化非序列光學(xué)系統(tǒng)的方法。 推薦的方法是使用像素插值(Pixel Interpolation)、探測器數(shù)據(jù)合集(光照時刻數(shù)據(jù))和正交下降優(yōu)化器。 例如，優(yōu)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(yōu)化功能允許用戶通過將系統(tǒng)參數(shù)設(shè)為變量，在評價函數(shù)編輯器中定義性能標準來改進設(shè)計。這個過程會對設(shè)計產(chǎn)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(tǒng)的優(yōu)化提供了一種建議方式。
例如，通過優(yōu)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(yōu)化算法 :阻尼最小二乘法(DLS) 和 正交下降法(OD) 。DLS 運用數(shù)值微分計算，在一個較小的評價函數(shù)設(shè)計的解空間里確定優(yōu)化方向。這種梯度方法是為光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計專門開發(fā)的，被推薦用于所有成像和經(jīng)典光學(xué)優(yōu)化問題。然而，在純非序列系統(tǒng)優(yōu)化中，由于采用像素探測器進行探測，DLS 的優(yōu)化效果較差。并且評價函數(shù)本身是不連續(xù)的，這也可能導(dǎo)致梯度搜尋方法失敗。
下面是當評價函數(shù)只有一個變量時，對非序列系統(tǒng)的評價函數(shù)進行查看 。
可以看出，很長一段區(qū)間內(nèi)評價函數(shù)根本沒有變化，發(fā)生的變化是突然且不連續(xù)的。這使得通過梯度搜尋方法進行優(yōu)化變得困難。
正交下降優(yōu)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(shù)值。OD 算法不計算評價函數(shù)的數(shù)值微分。
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本文提出
了一種優(yōu)化非序列光學(xué)系統(tǒng)的方法。
推薦的方法是使用像素插值(Pixel Interpolation)、探測器數(shù)據(jù)合集(光照時刻數(shù)據(jù))和正交下降優(yōu)化器。
例如，優(yōu)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。
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簡介
OpticStudio 的優(yōu)化功能允許用戶通過將系統(tǒng)參數(shù)設(shè)為變量，在評價函數(shù)編輯器中定義性能標準來改進設(shè)計。這個過程會對設(shè)計產(chǎn)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(tǒng)的優(yōu)化提供了一種建議方式。
例如，通過優(yōu)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(yōu)化算法
:阻尼最小二乘法(DLS)和
正交下降法(OD)。DLS 運用數(shù)值微分計算，在一個較小的評價函數(shù)設(shè)計的解空間里確定優(yōu)化方向。這種梯度方法是為光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計專門開發(fā)的，被推薦用于所有成像和經(jīng)典光學(xué)優(yōu)化問題。然而，在純非序列系統(tǒng)優(yōu)化中，由于采用像素探測器進行探測，DLS 的優(yōu)化效果較差。并且評價函數(shù)本身是不連續(xù)的，這也可能導(dǎo)致梯度搜尋方法失敗。
下面是當評價函數(shù)只有一個變量時，對非序列系統(tǒng)的評價函數(shù)進行查看。
可以看出，很長一段區(qū)間內(nèi)評價函數(shù)根本沒有變化，發(fā)生的變化是突然且不連續(xù)的。這使得通過梯度搜尋方法進行優(yōu)化變得困難。
正交下降優(yōu)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(shù)值。OD 算法不計算評價函數(shù)的數(shù)值微分。對于評價函數(shù)存在原本噪聲的系統(tǒng)而言，例如非序列系統(tǒng)，OD 通常比 DLS 算法要好。
展開 VirtualLab：多反射系統(tǒng)的非序列建模
非序列光學(xué)系統(tǒng)，特別是那些非序列性來自組件內(nèi)部多次內(nèi)部反射的系統(tǒng)，具有一系列特定的挑戰(zhàn)。將這樣的系統(tǒng)分解成一個順序等價的系統(tǒng)通常非常不方便，而且總是不切實際的。因此，擁有一個穩(wěn)定的非序列建模策略可以在面臨此類任務(wù)時成為一個巨大的優(yōu)勢。
建模和設(shè)計軟件VirtualLab Fusion正是通過其手動通道配置模式提供了這優(yōu)勢，在該模式中，所謂的“光路查找器”對光在非連續(xù)系統(tǒng)中遵循的路徑進行初步分析，使用用戶控制的基于能量的標準來確定哪些路徑需要進一步遵循；這在具有無窮多條路徑的漸近配置中變得特別有用。授予用戶在系統(tǒng)中隨意打開和關(guān)閉通道的額外選項（例如，對于這個特定的元件界面，應(yīng)該只考慮前向傳輸嗎，還是向后反射也很有趣？）增強了方法的靈活性，使您能夠獲得盡可能準確和快速的結(jié)果。
我們以兩種不同的場景為例演示了這一概念。首先，我們展示了赫里奧特池的情況，這是一種充滿弱吸收氣體的諧振器，其中大量的反射有助于準確表征材料的吸收特性。其次，我們使用法布里-珀羅標準具來解析鈉雙光子。
赫里奧特池的建模
該用例顯示了用于氣體光譜的赫里奧特池的物理光學(xué)模擬，包括CO2演示。
Fabry-Pérot標準具對鈉D線的研究
在VirtualLab Fusion中，建立了一個帶有二氧化硅間隔標準具的光學(xué)計量系統(tǒng)來測量鈉D線。此外，還研究了實際涂層反射率的影響。
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非序列光學(xué)系統(tǒng)，特別是那些非序列性來自組件內(nèi)部多次內(nèi)部反射的系統(tǒng)，具有一系列特定的挑戰(zhàn)。將這樣的系統(tǒng)分解成一個順序等價的系統(tǒng)通常非常不方便，而且總是不切實際的。因此，擁有一個穩(wěn)定的非序列建模策略可以在面臨此類任務(wù)時成為一個巨大的優(yōu)勢。
建模和設(shè)計軟件VirtualLab Fusion正是通過其手動通道配置模式提供了這優(yōu)勢，在該模式中，所謂的“光路查找器”對光在非連續(xù)系統(tǒng)中遵循的路徑進行初步分析，使用用戶控制的基于能量的標準來確定哪些路徑需要進一步遵循；這在具有無窮多條路徑的漸近配置中變得特別有用。授予用戶在系統(tǒng)中隨意打開和關(guān)閉通道的額外選項（例如，對于這個特定的元件界面，應(yīng)該只考慮前向傳輸嗎，還是向后反射也很有趣？）增強了方法的靈活性，使您能夠獲得盡可能準確和快速的結(jié)果。
我們以兩種不同的場景為例演示了這一概念。首先，我們展示了赫里奧特池的情況，這是一種充滿弱吸收氣體的諧振器，其中大量的反射有助于準確表征材料的吸收特性。其次，我們使用法布里-珀羅標準具來解析鈉雙光子。
赫里奧特池的建模
該用例顯示了用于氣體光譜的赫里奧特池的物理光學(xué)模擬，包括CO2演示。
Fabry-Pérot標準具對鈉D線的研究
在VirtualLab Fusion中，建立了一個帶有二氧化硅間隔標準具的光學(xué)計量系統(tǒng)來測量鈉D線。此外，還研究了實際涂層反射率的影響。
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[NEWSLETTER] 多反射系統(tǒng)的非序列建模
非序列光學(xué)系統(tǒng)，特別是那些非序列性來自組件內(nèi)部多次內(nèi)部反射的系統(tǒng)，具有一系列特定的挑戰(zhàn)。將這樣的系統(tǒng)分解成一個順序等價的系統(tǒng)通常非常不方便，而且總是不切實際的。因此，擁有一個穩(wěn)定的非序列建模策略可以在面臨此類任務(wù)時成為一個巨大的優(yōu)勢。
建模和設(shè)計軟件VirtualLab Fusion正是通過其手動通道配置模式提供了這優(yōu)勢，在該模式中，所謂的“光路查找器”對光在非連續(xù)系統(tǒng)中遵循的路徑進行初步分析，使用用戶控制的基于能量的標準來確定哪些路徑需要進一步遵循；這在具有無窮多條路徑的漸近配置中變得特別有用。授予用戶在系統(tǒng)中隨意打開和關(guān)閉通道的額外選項（例如，對于這個特定的元件界面，應(yīng)該只考慮前向傳輸嗎，還是向后反射也很有趣？）增強了方法的靈活性，使您能夠獲得盡可能準確和快速的結(jié)果。
我們以兩種不同的場景為例演示了這一概念。首先，我們展示了赫里奧特池的情況，這是一種充滿弱吸收氣體的諧振器，其中大量的反射有助于準確表征材料的吸收特性。其次，我們使用法布里-珀羅標準具來解析鈉雙光子。
赫里奧特池的建模
該用例顯示了用于氣體光譜的赫里奧特池的物理光學(xué)模擬，包括CO2演示。
Fabry-Pérot標準具對鈉D線的研究
在VirtualLab Fusion中，建立了一個帶有二氧化硅間隔標準具的光學(xué)計量系統(tǒng)來測量鈉D線。此外，還研究了實際涂層反射率的影響。
展開 VirtualLab：多反射系統(tǒng)的非序列建模
非序列光學(xué)系統(tǒng)，特別是那些非序列性來自組件內(nèi)部多次內(nèi)部反射的系統(tǒng)，具有一系列特定的挑戰(zhàn)。將這樣的系統(tǒng)分解成一個順序等價的系統(tǒng)通常非常不方便，而且總是不切實際的。因此，擁有一個穩(wěn)定的非序列建模策略可以在面臨此類任務(wù)時成為一個巨大的優(yōu)勢。
建模和設(shè)計軟件VirtualLab Fusion正是通過其手動通道配置模式提供了這優(yōu)勢，在該模式中，所謂的“光路查找器”對光在非連續(xù)系統(tǒng)中遵循的路徑進行初步分析，使用用戶控制的基于能量的標準來確定哪些路徑需要進一步遵循；這在具有無窮多條路徑的漸近配置中變得特別有用。授予用戶在系統(tǒng)中隨意打開和關(guān)閉通道的額外選項（例如，對于這個特定的元件界面，應(yīng)該只考慮前向傳輸嗎，還是向后反射也很有趣？）增強了方法的靈活性，使您能夠獲得盡可能準確和快速的結(jié)果。
我們以兩種不同的場景為例演示了這一概念。首先，我們展示了赫里奧特池的情況，這是一種充滿弱吸收氣體的諧振器，其中大量的反射有助于準確表征材料的吸收特性。其次，我們使用法布里-珀羅標準具來解析鈉雙光子。
赫里奧特池的建模
該用例顯示了用于氣體光譜的赫里奧特池的物理光學(xué)模擬，包括CO2演示。
Fabry-Pérot標準具對鈉D線的研究
在VirtualLab Fusion中，建立了一個帶有二氧化硅間隔標準具的光學(xué)計量系統(tǒng)來測量鈉D線。此外，還研究了實際涂層反射率的影響。
展開 非序列建模標準具和FABRY-PéROT諧振器
VirtualLab Fusion的非序列場追跡技術(shù)能夠精確建模完全不同類型的標準具，無論是結(jié)合高反射膜層的平面或曲面。此外，物理-光學(xué)建模方法自動包含矢量效應(yīng)，因此允許研究偏振效應(yīng)對干涉圖樣的影響。
光學(xué)標準具用于各種應(yīng)用，例如在光譜學(xué)和激光諧振器領(lǐng)域。標準具的基本結(jié)構(gòu)僅僅包括一對平面平行的透明板，并可以形成一個眾所周知的Fabry-Pérot諧振器，它通常用于光譜和/或角度選擇。
OpTaliX | 非序列表面
在非序列模型中，以光線遇到表面的順序（而不是它們進入的順序）追跡光線。以下案例說明需要非序列建模的光學(xué)系統(tǒng)。
視窗：邊緣附近的光線在窗口外表面之間經(jīng)歷多次反射（由于全內(nèi)反射）。它們不穿過透鏡，因此，實際上會遮擋一部分光圈。
光導(dǎo)管：光線路徑（即表面相交的順序）根據(jù)物體的位置和光線方向而變化。
氣泡：固體玻璃中包含的球形氣泡。軟件將自動檢測全內(nèi)反射（TIR）條件。
折射八角形：形成具有空心內(nèi)部八角形結(jié)構(gòu)的八角形的一系列平面表面。
該模型假定平行光線以特定角度進入。入射光線是由八角形晶面的折射和全內(nèi)反射（TIR）形成的。
關(guān)于聯(lián)合光學(xué)
聯(lián)合光學(xué)科技有限公司是一家專業(yè)的光學(xué)產(chǎn)品與軟件研發(fā)、銷售及技術(shù)咨詢服務(wù)的公司。涉及領(lǐng)域包括幾何光學(xué)，物理光學(xué)等方面的模擬和仿真，已蛻變?yōu)橐患覈H化的高科技專業(yè)技術(shù)服務(wù)公司。為廣大客戶提供全方位的光學(xué)軟件產(chǎn)品服務(wù)和專業(yè)化的軟件課程培訓(xùn)。
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在非序列模型中，以光線遇到表面的順序（而不是它們進入的順序）追跡光線。以下案例說明需要非序列建模的光學(xué)系統(tǒng)。
視窗：邊緣附近的光線在窗口外表面之間經(jīng)歷多次反射（由于全內(nèi)反射）。它們不穿過透鏡，因此，實際上會遮擋一部分光圈。
光導(dǎo)管：光線路徑（即表面相交的順序）根據(jù)物體的位置和光線方向而變化。
氣泡：固體玻璃中包含的球形氣泡。軟件將自動檢測全內(nèi)反射（TIR）條件。
折射八角形：形成具有空心內(nèi)部八角形結(jié)構(gòu)的八角形的一系列平面表面。
該模型假定平行光線以特定角度進入。入射光線是由八角形晶面的折射和全內(nèi)反射（TIR）形成的。
如果您需要了解更多 OpTaliX 軟件相關(guān)信息，請點擊文末“閱讀原文”咨詢。
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在非序列模型中，以光線遇到表面的順序（而不是它們進入的順序）追跡光線。以下案例說明需要非序列建模的光學(xué)系統(tǒng)。
視窗：邊緣附近的光線在窗口外表面之間經(jīng)歷多次反射（由于全內(nèi)反射）。它們不穿過透鏡，因此，實際上會遮擋一部分光圈。
光導(dǎo)管：光線路徑（即表面相交的順序）根據(jù)物體的位置和光線方向而變化。
氣泡：固體玻璃中包含的球形氣泡。軟件將自動檢測全內(nèi)反射（TIR）條件。
折射八角形：形成具有空心內(nèi)部八角形結(jié)構(gòu)的八角形的一系列平面表面。
該模型假定平行光線以特定角度進入。入射光線是由八角形晶面的折射和全內(nèi)反射（TIR）形成的。
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在非序列模型中，以光線遇到表面的順序（而不是它們進入的順序）追跡光線。以下案例說明需要非序列建模的光學(xué)系統(tǒng)。
視窗：邊緣附近的光線在窗口外表面之間經(jīng)歷多次反射（由于全內(nèi)反射）。它們不穿過透鏡，因此，實際上會遮擋一部分光圈。
光導(dǎo)管：光線路徑（即表面相交的順序）根據(jù)物體的位置和光線方向而變化。
氣泡：固體玻璃中包含的球形氣泡。軟件將自動檢測全內(nèi)反射（TIR）條件。
折射八角形：形成具有空心內(nèi)部八角形結(jié)構(gòu)的八角形的一系列平面表面。
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為什么要使用OpTaliX ?! ——實際案例(一）
——實際案例(一）
實際案例（一）——01 非序列表面
在非序列模型中，以光線遇到表面的順序（而不是它們進入的順序）追跡光線。以下案例說明需要非序列建模的光學(xué)系統(tǒng)。
圖片1
視窗：邊緣附近的光線在窗口外表面之間經(jīng)歷多次反射（由于全內(nèi)反射）。它們不穿過透鏡，因此，實際上會遮擋一部分光圈。
圖片2
光導(dǎo)管：光線路徑（即表面相交的順序）根據(jù)物體的位置和光線方向而變化。
圖片3
氣泡：固體玻璃中包含的球形氣泡。軟件將自動檢測全內(nèi)反射（TIR）條件。
圖片4
折射八角形：形成具有空心內(nèi)部八角形結(jié)構(gòu)的八角形的一系列平面表面。
該模型假定平行光線以特定角度進入。入射光線是由八角形晶面的折射和全內(nèi)反射（TIR）形成的。
實際案例（一）——02 表面光圈
可以透過組合基本孔（圓形，矩形，橢圓形）來構(gòu)造復(fù)雜的孔徑。每個基本孔徑都可以透射或遮擋。“或’’運算符可以將多達10個基本光圈進行邏輯組合，并分配給每個表面。所有的孔可以偏心并旋轉(zhuǎn)。
多邊形光圈
多邊形光圈可以定義復(fù)雜和非尋常的光圈。多邊形不必是凸面的，并且可以允許任何形狀，如下圖所示。唯一的條件是必須將它們封閉，即最后一個頂點與第一個頂點相同。下圖通過相應(yīng)表面上的光線相交圖案指示了表面上的使用區(qū)域。也可以從檔中讀取具有許多頂點（最多50個）的復(fù)雜多邊形，并將其直接關(guān)聯(lián)到曲面。
Complex polygons with many vertices (up to 50) can also be read in from a file and directly associated to a surface.
實際案例（一）——03 漸變折射率（GRIN）
徑向，軸向和混合漸變的漸變折射率光線。
展開 為什么要選用 OpTaliX ?!
兼容性：OpTaliX? 可以簡單和其他光學(xué)設(shè)計和薄膜封裝軟體進行存取，以便您可以與他人協(xié)作或檢查設(shè)計。
質(zhì)量：計數(shù)穩(wěn)定性和準確性。在我們?nèi)粘ＴO(shè)計工作中，我們經(jīng)常使用 OpTaliX? 進行全面測試。測試案例與代碼并行開發(fā)，beta 測試在選定的客戶站點進行。
24小時內(nèi)響應(yīng)您的問題。報告的錯誤將立即修復(fù)并提供下載。
經(jīng)驗：OpTaliX? 是由光學(xué)設(shè)計師編寫的，它在實際的鏡頭設(shè)計、光學(xué)工程和軟件開發(fā)方面擁有25年經(jīng)驗。
實際案例
01
非序列表面
在非序列模型中，以光線遇到表面的順序（而不是它們進入的順序）追跡光線。以下案例說明需要非序列建模的光學(xué)系統(tǒng)。
視窗：邊緣附近的光線在窗口外表面之間經(jīng)歷多次反射（由于全內(nèi)反射）。它們不穿過透鏡，因此，實際上會遮擋一部分光圈。
光導(dǎo)管：光線路徑（即表面相交的順序）根據(jù)物體的位置和光線方向而變化。
氣泡：固體玻璃中包含的球形氣泡。軟件將自動檢測全內(nèi)反射（TIR）條件。
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