本文描述了如何使用 OpticStudio 非序列優(yōu)化向導創(chuàng)建常見的評價函數(shù)類型，以及創(chuàng)建用于匹配導入圖像文件的目標能量分布評價函數(shù)。 （聯(lián)系我們獲取文章附件）

簡介

在非序列模式下優(yōu)化光學系統(tǒng)通常比在序列模式下的優(yōu)化更復雜、更耗時。下期我們將會為大家介紹非序列模式優(yōu)化系列文章的第二篇-《如何優(yōu)化非序列光學系統(tǒng)》，這篇文章描述了非序列優(yōu)化的基礎，其中我們發(fā)現(xiàn)所有的非序列評價函數(shù)必須在計算性能目標之前清除探測器和光線追跡。這個過程經(jīng)常是重復且容易出錯的，通常通過 OpticStudio 非序列優(yōu)化向導自動實現(xiàn)。該向導支持創(chuàng)建常見類型的評價函數(shù)，并創(chuàng)建用于匹配導入圖像文件的能量分布的相關評價函數(shù)。本文將詳細討論如何使用這兩種功能來輔助優(yōu)化。

非序列優(yōu)化向導

許多非序列系統(tǒng)有著共同的性能目標，如光通量均勻性或最大光通量等。非序列優(yōu)化向導提供了一種快速創(chuàng)建由常用評價目標組成的評價函數(shù)的工具。該工具可以在評價函數(shù)編輯器中通過 優(yōu)化 (Optimization) … 優(yōu)化向導 (Optimization Wizards) … 優(yōu)化向導 (Optimization Wizard) 設置。

您還可以通過單擊評價函數(shù)編輯器中的 優(yōu)化向導和操作數(shù) (Wizards and Operands) 來訪問優(yōu)化向導（注意此工具在混合模式下不可用）。下面的窗口中評價功能組件簡潔地被劃分為三類。

優(yōu)化向導總是將一個 NSDD 操作數(shù)添加到評價函數(shù)的頂部，該函數(shù)將在每次運行開始時清除探測器。無論是否勾選“清除數(shù)據(jù)設置 (Clear Data Settings)”選項，這在添加任何非序列評價函數(shù)時都是必要的。除此之外，“清除數(shù)據(jù)設置”選項允許用戶在評價函數(shù)的任意點清除單個探測器。通常這種操作是不必要的，除非您確認需要此操作，否則請保持設置的默認值。

光線追跡設置支持常規(guī)光線追跡和 LightningTrace? (LT)。常規(guī)光線追跡是系統(tǒng)默認的追跡方式，如果要使用 LT，請選擇使用 LightningTrace?。注意，它只支持矩形和顏色探測器的空間數(shù)據(jù)，并且只支持極坐標探測器的角度數(shù)據(jù)，除此之外的其他任何探測器都不支持。當該功能被啟用時，窗口將自動更新，以顯示特定探測器的有效標準。有關 LT 和采樣設置的更多信息，請參見 OpticStudio 的幫助文件： 優(yōu)化選項卡（非序列 UI 模式） (The Analyze Tab (non-sequential ui mode)) ... 光線追跡選項組 (Trace Rays Group) ... Lightning 追跡 (Lightning Trace)。

所有其他常規(guī)的光線追跡設置都與原光線追跡設置的選項相同。

“標準設置 (Criteria Settings)”定義了評價函數(shù)的計算目標。下拉對話框中顯示的可用標準基于指定的探測器。邊界條件可以通過“邊界”下拉菜單選擇，然后在文本框中可以定義評價目標（不管是閾值還是確切目標）。此外“最小光通量 (Minimum Flux)”也應當設置，這對于避免優(yōu)化時出現(xiàn)沒有光線入射到探測器的方案是十分必要的。如果在探測器上沒有光線的情況下仍有機會達到最小光通量目標，那么這個值應該設置為非零值，不然優(yōu)化向導在生成評價函數(shù)時將忽略這個評價標準。

優(yōu)化向導支持點擊 應用 (Apply) 按鈕創(chuàng)建動態(tài)評價函數(shù)。按下后，OpticStudio會基于當前定義的設置添加操作數(shù)，但對話框仍然保持打開狀態(tài)，等待添加其他條件。點擊 應用 (Apply) 后，“清除數(shù)據(jù)”和“光線追跡”部分默認是停用的。通常，這些設置只在評價函數(shù)的開始時定義一次。但是如果有需要，它們也可以被重新激活。此外，“起始行”值將被更新為當前評價函數(shù)末尾的行數(shù)，這樣添加新操作數(shù)時將不會覆蓋任何當前定義的操作數(shù)。如果只需要添加一次操作數(shù)，點擊 確認 (OK) 按鈕后系統(tǒng)將在添加完必要的操作數(shù)后關閉對話框。

投影儀示例

為了演示該功能的工作方式，請打開以下文件：“{Zemax}\Samples\Non-sequential\Miscellaneous\Digital_projector_flys_eye_homogenizer.zmx.”。顧名思義，該系統(tǒng)被設計用于數(shù)字投影儀，其中透鏡陣列通過模擬多個光源而不是一個非均勻光源來均勻化光束。

該模型已經(jīng)優(yōu)化完成，但我們可以建立評價函數(shù)來研究在這種類型的系統(tǒng)中哪些評價標準更加重要。

對于任何投影系統(tǒng)來說，最重要的兩個性能是光通量均勻性和效率。我們可以構建一個以這兩種性能為目標的評價函數(shù)。打開評價函數(shù)編輯器并打開優(yōu)化向導。如前文所述操作，“清除數(shù)據(jù)設置”和“清除探測器：”設置應該保持原樣。在光線追跡設置下，勾選啟用 分裂光線 (Split Rays)， 使用偏振 (Use Polarization)，和 忽略錯誤 (Ignore Errors)。我們的目標是最終的像平面，所以從目標設置中選擇探測器對象7。我們將“空間均勻度 (Spatial Uniformity)”定義為評價標準，邊界條件為“等于”零。注意，這實際上是針對光通量分布的標準差設置，因此零這個值代表完全均勻。保留所有其他設置的默認值并點擊 應用 (Apply)。創(chuàng)建的對話框和設置的評價函數(shù)如下圖所示：

必要的操作數(shù)已被添加到評價函數(shù)中。注意，對話框保持打開狀態(tài)，“清除數(shù)據(jù)設置”和“光線追跡設置”現(xiàn)已被禁用。我們目標的任何其他性能都不需要再次定義這些操作數(shù)。此外，“起始行”值已被更新當前定義的操作數(shù)之后，所以此后添加的任何評價函數(shù)都將出現(xiàn)在當前存在的操作數(shù)之后。

如果我們想要達到 100% 的效率，我們可以使用最小光通量設置，但我們將設定一個更實際的限制。放映機的合理標準是至少 65% 的效率。并且，這個投影儀的光源是一盞 10,000 流明的燈，因此我們的目標是總流明超過 6500 流明。定義如下所示的設置，并單擊 確認。

OpticStudio 在之前定義的評價函數(shù)之后為總光通量添加了額外的操作數(shù)。在確定了恰當?shù)淖兞恐?，系統(tǒng)就可以進行優(yōu)化了。這個添加額外操作數(shù)的過程使評價函數(shù)的定義過程變得更為快速容易。

非序列 BMP 位圖向導

非序列 BMP 位圖向導是一個專門用于定位探測器上復雜的光通量和顏色分布的工具。窗口中的大多數(shù)設置，如下圖所示，與前面討論的評價功能工具相同，而這里的區(qū)別在于“目標設置 (Target Settings)”部分。

探測器對話框中只會顯示矩形探測器和顏色探測器，因為它們是該功能支持的僅有探測器類型。輸入文件可以是位于 “{Zemax}\IMAFiles”目錄中的任何 BMP、JPG 或 PNG 文件。該輸入圖像定義了光通量和顏色的相對分布，但它沒有定義絕對光通量?？偣馔吭O置允許目標縮放以獲得一定的總光通量，同時保留在圖像中定義的相對分布。如果選擇了顏色探測器，顏色目標設置將啟用。

預覽顯示了在探測器上的目標分布中定義的設置具體看起來如何。如果圖像分辨率與探測器分辨率不同，圖像將被重新采樣到探測器的大小。請注意，低分辨率探測器可能會出現(xiàn)混疊，也可能只在對話框中顯示圖像。在上面的對話框中，一個306 x 306的位圖被向下采樣到一個50 x 50的探測器?；蛘吣梢赃x擇重新取樣探測器。通過激活“重采樣探測器 (Resample Detector)”，探測器上的像素數(shù)將被改變以匹配位圖中的像素數(shù)。

預覽顯示了在探測器上的目標分布中定義的設置具體看起來如何。如果圖像分辨率與探測器分辨率不同，圖像將被重新采樣到探測器的大小。請注意，低分辨率探測器可能會出現(xiàn)混疊，也可能只在對話框中顯示圖像。在上面的對話框中，一個306 x 306的位圖被向下采樣到一個50 x 50的探測器。或者您可以選擇重新取樣探測器。通過激活“重采樣探測器 (Resample Detector)”，探測器上的像素數(shù)將被改變以匹配位圖中的像素數(shù)。

該工具還可以在不關閉對話框的情況下添加操作數(shù)。請注意，在使用位圖向導時，通常會添加大量操作數(shù)。對于灰度目標，探測器上的每個像素都需要添加一個操作數(shù)。對于一個顏色目標，探測器上的每個像素也都要添加三個操作數(shù)。即使是中等大小的圖像文件也需要一段時間才能將目標添加到評價函數(shù)中。一個306 x 306探測器需要93,636個用于灰度的操作數(shù)，280,908個用于顏色的操作數(shù)。建議使用可以準確地表示所需的光通量/顏色分布的最低分辨率圖像。

當單擊 確認 (OK)或 應用 (Apply) 時，OpticStudio 將在窗口頂部給出一個進度指示器。如果進程花費的時間太長，可以按 終止 (Terminate) 按鈕結束進程。在這種情況下，OpticStudio 將刪除進程終止前添加到評價函數(shù)的所有操作數(shù)。

彩色測試靶示例

為了簡單地說明這個工具，讓我們看一看如何為一個簡單的方格顏色測試靶創(chuàng)建的評價函數(shù)。本示例中使用的圖像 “ColorTestMeritFunction” 是為了演示該工具的功能而設計的，可在附件部分下載。如下圖所示，使用彩色象限組成的圖像作為測試靶。

當啟用彩色測試靶時，OpticStudio 將為每個像素添加三個目標操作數(shù)。這些目標對應每個像素的 X 、 Y 和 Z 三刺激值。此外，添加一個總光通量操作數(shù)以確保絕對光通量是測試探測器面的。用這種方式定義目標似乎有些單調乏味，但是這種針對單個像素的方法非常有效。一旦光線被追跡，OpticStudio 可以非常快速地確定任何像素的顏色和強度。最耗時的優(yōu)化部分是光線追跡，在此之后數(shù)據(jù)則容易計算。

通過 OpticStudio 優(yōu)化向導，可以輕松定義復雜的評價函數(shù)。非序列優(yōu)化向導工具允許用動態(tài)的方式定義常見的目標。非序列 BMP 位圖向導自動建立任何圖像文件中可描述的光通量和顏色分布操作數(shù)，將這項極其耗時的任務在幾秒或幾分鐘內(nèi)完成。所有上述功能都與 OpticStudio 中的強大優(yōu)化工具和算法協(xié)同工作。