05-1-CODEV实战-Optimizationa

L5-1:Optimization：AutomaticDesign2015/5/20CODEV优化12015/5/20CODEV优化2L5-1:Optimization：AutomaticDesign•优化设计的基本理论(见附件)•CODEV自动优化简介•优化设计的步骤•误差函数及其构建•优化例子：CookeTriplet–GeneralConstraints–SpecificConstrants–UserDefinedConstrants•ConstraintsandBoundaryConditions•MTFOptimizations•User-definedErrorFunction•Through-focusOptimization•CEF•GlobalSynthesis自动优化简介：ReducingtheErrorFunction•CODEV采用两种优化方法–Localoptimization(dampedleastsquares(DLS))方法•在误差函数空间内寻找最近的局部极小•最广泛使用的方法–Globaloptimization•通过GlobalSynthesis®实现(通过执行OptimizationGlobalSynthesis，定义其他一些必要的输入运行条件)•采用特别的搜索算法寻找所有可能的解找到多个解(多个局域极小)，每一个均为满足所有约束要求的优化结果•再通过Localoptimization求得可能解的最佳解，GO时间比Localoptimization要长得多2015/5/20CODEV优化32015/5/20CODEV优化4自动优化简介：CODEV优化的特点•CODEV的优化是基于实际光线的追迹(尽管可以包括三阶像差的优化)。主要原因是：1)避开大孔径、大视场时像差理论局限性(3阶，5阶或更高)。如果使用像差理论来优化，在设计过程中，各个像差很少能全面表示光学系统的性能，当不同的平衡值为最优时，目标值（？？）还是会一直在游动。2)对倾斜同平移、非常规表面，像差随波长的变化可以更好地通过光线追迹进行精确模拟；3)更为实际地模拟渐晕以及孔径阻挡系统。•CODEV通过误差函数的方式来表示光学系统的质量。误差函数实际上是图像（？？）各种缺陷取权以后的一个组合正数，可以包括也可以不包括各种约束的偏离误差(光学以及尺寸等约束)。对理想的透镜，误差值=0，表示没有任何图像缺陷。但在大多数情况下，误差值为0正数。优化的作用就是尽可能降低这个值。•各种定义比较灵活：在CODEV中，误差函数的选择或设置比较简单，误差函数中的缺省权值可以由设计者覆盖，而且针对不同的要求，设计了强大、灵活的各种定义方法。2015/5/20CODEV优化5优化准备工作：LDM同SystemData数据的准备•设置优化时允许变化的变量。“DefiningVariablesandControlCodes”onpage12-3fordetails.•User-definedapertures(LensCalculateSetAperturesmenu)(一章）。•LDM中的vignettingfactors用于声明不同视场入瞳的形状Gaussianapodization以及任何user-definedapodization(INT文件)作用在入瞳或出瞳上，作为误差函数中入瞳权重的一部分；•表面孔径apodization以及偏振均没有考虑；•除非在自动优化时重新指定波长的权，否则在优化时，波长权还是直接使用LDM中指定的值；•如果优化是couplingefficiency(CEF)选项,必须在LDM中用FLO命令指定输出光纤的位置（LensSystemData对话框,andclickFiberLocation）2015/5/20CODEV优化6优化准备工作：Auto中数据的准备•选择OptimizationAutomaticDesign菜单：用于设定errorfunction,constraints,以及其他一些运行控制（输入输出、运行过程判据等）；•设置误差函数的内容.：可以直接用CODEV提供的errorfunctions,auser-definederrorfunction(UDEF),以及CODEV提供的errorfunctions同UDEF的组合，还可是用户定义误差函数同一般约束的组合；•选择误差函数的类型：transverserayaberrations；wavefrontvariance；指定频率、方位角的MTF性能优化；•指定约束：specificconstraints,user-definedconstraints,andgeneralconstraints.•指定其他额外的控制：权、视场、波长、孔径以及优化光线网格的权，还可以进行离焦优化。•指定自动设计的运行控制以及输出控制(runcontrolsandoutputcontrols.)：包括运行回合、改进因子大小、列表输出控制，是否每叠代一次都画出透镜等。•开始优化：这时会显示一个状态窗口，显示优化的进展情况。优化过程可以按下对话框中的STOP按键，也可以直接按CTRL-BREAK中止误差函数及其构建•构建误差函数并优化：这一步在设计中起着关键作用。不同的透镜，可能会不一样，设计者往往要化费大量的时间来构建这个误差函数。这也是为什么说透镜设计是一门艺术的主要原因。2015/5/20CODEV优化7CODEVerrorfunctiononly(ERRCDV)Userdefinederrorfunctiononly(ERRUSR)CODEV/Userdefinedcompositeerrorfunction(ERRBTH)Constraintsonlysolution(ERRCON)TransverserayaberationWavefronterrorvariance(WFRY)Fibercouplingefficiency(MPR0.00052)(模式半径）MTF(FREF125TGMF1T10.2)误差函数内容误差函数类型CODEV误差函数：缺省误差函数•CODEV缺省误差函数：1)追迹每一个波长、视场、配置的光线网格;2)在此基础上，对波长、孔径、视场、配置加权运算得到RMS中心加权点列图。3）加权因子、网格光线数以及光线间隔等全为缺省设置；设计者通过更改这些设置确定适合自己的误差函数平衡点。误差函数类型有：–Transverseaberration,–Wavefronterrorvariance,(see“SpecifyingtheErrorFunctionDefinitionsandControls”onpage17-36)–Fibercoupingefficiency–MTFerrorfunction(see“SpecifyingtheMTFErrorFunctionControls”onpage17-52).2015/5/20CODEV优化82015/5/20CODEV优化9DEFOCUSING0.000006.35MMRaydistributioninpupil12ray,allskewpatternTransverseaberrationsDxandDymeasuredfromchiefrayxyTightcorewithsomeflare自动优化简介：DefaultCODEVErrorFunction•Defaulterrorfunction其实际是加权RMS点列图尺寸，即横向像差(DXandDYfromchiefray)•考虑所有歪斜光（Allskewrays）(noraysonmeridionalorsagittal）–追迹所有波长、视场、多重配置•还考虑误差函数各种权值–1）波长权(缺省同SD一样)；2）视场权(缺省同SD一样,但用户可以更改)；3）入瞳权(defaulttriesfortightcorewithsomeallowedflare)；4）配置权(ZOOM)Dy,Dx自动优化简介：CODEV缺省误差函数1•误差函数的一般形式(最基本的两项)–WTX，WTY：X同Y方向的像差的权重–WTW：波长权重；–WTA：入瞳权重•包含约束的误差函数(将约束同误差函数分离)–WTC：约束权重2015/5/20CODEV优化102015/5/20CODEV优化11自动优化简介：波前方差误差函数2•波前方差误差函数：提供接近衍射极限光学系统同Strehl比相对应的系统性能测度。通过计算每个视场最佳相移及主光线在X同Y方向偏离最佳拟合中心的图像中心，使波前方差最小，每条光线的方差贡献量为：Wavefrontbalanceratio波前平衡比WVB:波前平衡比，比在WFR优化时使用，用于强调集成到方差中的X、Y波前斜率重要性的因子，范围为0.0到1.0，很少用。孔径积分限制因子自动优化简介：波前方差误差函数2•注意在AUTO中列出的是方差的平方根，而不是方差•WaveAberrationComponents(WFR,D-dRequests，后面重点讨论)：提供给误差或评价函数的是波像差。在误差函数中为一致起见，还需要进行波像差同光线横向像差的转换2015/5/20CODEV优化12光线在出瞳上的位置坐标2015/5/20CODEV优化13自动优化简介：MTF误差函数3•MTFerrorfunctioncomponents:基于衍射的的误差函数,计算不同视场、配置位置指定频率、方位角的实际MTF同目标MTF的差。目标MTF的权有缺省值，但用户也可以根据自己的需要更改。2015/5/20CODEV优化14自动优化简介：ErrorFunctionsDefinitionsAndControl根据光线统计中心值计算像差针对WFR，波前平衡参数，表示XY方向波前的斜率的重要性，范围0~1，缺省为1.0，很少用0.4OBS2015/5/20CODEV优化15UserModificationstotheDefault:ErrorFunction是否通过叠代所有波长的主光线来求得STOP的位置，未check,则仅计算参考光线确定的STOP的位置；在存在明显的轴向色差时使用用D-d方法计算非参考波长色差。D-d像差（波）使用聚焦误差模型与参考光线计算法结合计算。可加快计算速度。对含衍射特性或梯度折射率材料表面的系统不适用。2015/5/20CODEV优化16ControlofRaysUsedinOptimization(ErrorFunctionDefinitionandControlstab)•DELvalue–控制孔径上光线数量的间隔值•OBSvalue–表示阻档-deletescenterofgridouttothisspecifiedpupilfraction.Ex:OBS0.4wouldeliminateraysoutto40%ofthepupilradiusinallfields.•MER,SAGY|N-光线会聚在(collapsedto)meridional或sagittal平面(主要是柱面镜系统)•SAPY|N–孔径为正方形•具体情况可以分析一下autogrid.seqDEL0.385(default)xyDEL1.0DEL值的范围Raysinhalfpupil1.414213-.6324562.632455-.4714056.471404-.3922338.392234-.34299812(0.385default？？？？).342997-.28284316.282842-.26261322.262612-.23249626.232495-.22086430.220863-.21081934(0.22defaultforASP)...-.0200003930ControlofRaysUsedinOptimization(ErrorFunctionDefinitionandControlstab)•GaussianQuadratu