光學優化
關注創建者：匿名 創建時間：2026-01-05
光學優化的實例教程
基于計算機輔助的光學薄膜優化設計方法
金揚利，馬勉軍，陳壽，王濟洲，蘭州物理研究所
摘要：概述了光學薄膜優化設計的發展和原理，介紹了當前光學薄膜優化設計中集中常用方法，預測了優化設計方法的趨勢。
關鍵詞：光學薄膜，優化設計，計算機輔助
論文簡介
1.引言：光學薄膜作為一門學科，已經走上百年的路程。如今，光學薄膜在光學、激光、航天等領域都得到了廣泛的應用。隨著新的精密光學儀器的不斷涌現，對鍍膜光學元件的光譜性能要求也越來越高，常規解析法設計的光學薄膜膜系結構已不能完全滿足使用要求。
計算機技術的飛速發展為數值方法應用于光學薄膜設計提供了便利，如今，基于計算機輔助的光學 薄膜優化設計已經成為一種廣泛應用的膜系設計方法。
2.光學薄膜優化設計的發展
3.光學薄膜優化設計的原理和評價函數
3.1光學薄膜優化設計的原理
3.2評價函數
4 幾種常用的光學薄膜優化設計方法
4.1 單純形法
4.2 模擬退火法
4.3 針形法
4.4 遺傳算法
4.5優化方法的改進
5 總結和發展趨勢
基于計算機輔助的光學薄膜優化設計方法.pdf
展開 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。
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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 機載光學傳感器優化設計
近期，我們對一種機載光學傳感器進行了優化，該傳感器通常內置于遙感數據設備上（比如直升機）。這種光學傳感器的鏡坯由玻璃陶瓷制成，具有極低的熱膨脹和動態變形特性，在工作條件下，要求其幾何形狀變化及位移必須維持在極小的限度以內。因此，操作過程中的最小變形和低重量是該產品設計的兩個主導因素。
機載光學傳感器的自動優化流程
本次研究目的是由CAESES提供一個全參數化的鏡坯幾何模型，通過兩個軟件包之間的耦合連接，實現模型能夠在ANSYS Workbench中分析及優化。安裝應用程序CAESES ACT便可使CAESES參數化模型在Workbench中實現動態變化，之后連接模態或靜態結構系統進行分析。其優化結果表明，這樣的自動化流程有利于得到理想鏡坯方案。
下圖為基礎方案與優化方案的結果對比。
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本次研究內容在CADFEM ANSYS 2017會議中能夠找到，全文下載鏈接 “ CAESES參數化建模工具在ANSYS Workbench上的應用-ZLC.doc ” ，文章對工作進行了更詳細的總結。
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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。
展開 其VE人眼視覺模塊獨步天下，計算速度奇快無比，操作便利，CAA版本外掛catia軟件，可利用catia的強大參數化設計或catia宏語言優化光學設計，獨立版的speos類似ASAP，不過還是比ASAP容易上手。大家一般認為其網點設計與仿真比lighttools等光學軟件功能差很多，實際上speos caa的網點設計也很強大，不過操作稍顯復雜些，需要在catia里面編程控制復雜的網點生成，新版本的speos caa無需編程，網點設計增強很多，而且里面的OSD模塊可以輕易設計出大家討論的鱗甲、導光管、各種各樣的車燈花紋等，唯一遺憾的是CAA版本不能能結合gtools的強大網點設計能力。
本人比較喜歡speos這個軟件，最近研究了一下speos caa的網點設計，有一些心得和感觸，獨立版的speos可以導入gtools網點我就不再贅述了。這里是一個具體的簡單網點設計過程，歡迎大家交流分享！具體的說明請看圖片里面的解釋！
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其中Ansys Speos作為系統級仿真核心工具，可實現多軟件數據無縫對接、三維環境光學仿真、人眼視覺感知評估，為車載AR HUD光學性能優化、成像質量校驗、雜散光抑制提供專業仿真支撐。本文基于Ansys官方衍射波導AR風擋HUD仿真案例，全面解析Speos在AR HUD研發中的應用價值、仿真流程、核心參數及結果分析，為車載光學行業研發人員提供參考。
OAS 仿真優化來解困2小時前
聚光系統采用兩片透鏡組合，定義透鏡材質為光學玻璃，優化曲率與間距，提升光線匯聚效率；菲林片導入高精度圖案，設置透光區域與遮光區域光學參數；成像系統采用三片式結構，合理分配正負光焦度，矯正軸向色差與垂軸色差。
? 光線追跡
利用 OAS 軟件序列光線追跡技術，模擬光線的完整傳播路徑，追蹤光線從光源發出、經聚光系統匯聚、穿透菲林片、通過成像鏡頭投射至目標面的全過程。
如果您希望優化衍射光學元件的設計和制造，并在市場中占據領先地位，歡迎聯系我們的技術團隊。
仿真在自適應前燈系統中最常見的應用方式如下：
組件光學設計與優化
利用仿真對前照燈總成中的光源、透鏡、有源和無源反射器進行建模。許多前照燈專家都使用Ansys Zemax OpticStudio軟件來優化每個組件和光學裝配體。該工具的參數化特性、直觀的用戶界面和快速求解時間，使用戶可以輕松查看自適應系統可能遇到的各種光學情況。
為了確保盡可能高的效率，光學工程師應該優化電池層使用的材料和厚度。為了幫助完成這項任務，快速物理光學建模和設計軟件VirtualLab Fusion提供了各種工具，如分層介質組件，這使得圖層系統的配置易于使用，并且可以通過我們的全面內置數據庫選擇涂層的材料，或指定其光學特性，如折射率和吸收系數的實部。
在這篇簡報中，我們分享了分層介質組件的介紹，以及基于CIGS的太陽能電池的模擬設置。
當前光波導設計所面臨的問題
? 仿真軟件的作用
二、OAS光學軟件整體架構與核心功能
? 幾何建模
? 光學仿真
? 界面操作與數據可視化
三、應用案例展示
? 幾何陣列波導
? 衍射波導
? 全息波導
（部分案例展示）
超表面解決方案（下午）
一、OAS超表面的設計原理和仿真路線
二、rcwa參數掃描數據庫
三、序列模式下的折超混合光學系統設計和優化實例
<p class="ql-align-justify">Ansys 5月應用系列線上研討會共10場，主題覆蓋AI+優化、光學、電弧、熱管理、材料決策…等主題，希望幫助工程師深入掌握仿真能力的應用價值，精彩內容持續全年，歡迎大家報名參與！</p><p>歡迎加入直播交流聊，獲取專屬開播提醒、直播回放、直播PPT及完整日程實時更新，干貨不錯過！
衍射光學元件設計與優化
3. 周期性微納結構的優化設計
4.超表面微納結構
下午
2. 衍射光學元件設計與優化
3. 周期性微納結構的優化設計
5. 微納加工工藝方案
6.
由于具體設計需要滿足不同設計指標，引來的專利數據不可能直接拿來就用，大部分都還需要光學設計者進行二次修改設計，利用光學軟件進行進一步優化設計，以滿足具體設計要求。然而，也不是任何一個設計者拿來專利都可以優化出來一個優質照相鏡頭的，還必須了解該形式鏡頭的設計思想，各結構參數對系統像質的貢獻，熟練地掌握系統內涵才便于得心應手的處理鏡頭優化工作。
由于具體設計需要滿足不同設計指標，引來的專利數據不可能直接拿來就用，大部分都還需要光學設計者進行二次修改設計，利用光學軟件進行進一步優化設計，以滿足具體設計要求。然而，也不是任何一個設計者拿來專利都可以優化出來一個優質照相鏡頭的，還必須了解該形式鏡頭的設計思想，各結構參數對系統像質的貢獻，熟練地掌握系統內涵才便于得心應手的處理鏡頭優化工作。
