使用Zemax OpticStudio非序列優化設定工具


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摘要:這篇文章描述了如何使用Zemax OpticStudio非序列優化設定精靈 (Optimization Wizards) 來建立基本常用的幾種評價函數形式,以及如何使用輸入的圖片檔來設定目標能量分佈。
原文連結:Using the Zemax Illumination Wizard
原文作者:Akash Arora
原文發布時間:February 5, 2013

介紹
非序列光學系統的優化經常比序列模式系統更複雜且耗時。非序列模式優化的基本原則在以下文章中有詳盡描述:How to Optimize Non-Sequential Optical Systems。如同在這個連結文章中提到的,在所有非序列評價函數中,第一步都必須先清空探測器,然後追跡光線,最後才計算想知道的評價基準 (Criterion) 。這個過程繁複、容易出錯的動作可以藉由Zemax OpticStudio非序列優化設定精靈 (Optimization Wizards) 來簡單的完成。這個精靈支援創建基本常用的評價函數形態,以及提供工具讓使用者用輸入的圖片檔來設定目標照度分佈。讓我們仔細檢視這兩種工具並了解他們可以如何用在加強優化程序上。

非序列評價函數優化精靈
許多非序列系統設計上都是要達成一些常見的目標,例如光均勻度或是最大光通量。非序列評價函數精靈提供一個工具,可以快速建立包含任意數量的目標值的評價函數。這個工具可以在 OpticStudio的 “Ribbon工具列 > Optimize > Optimization Wizards > Optimization Wizard” 找到。點擊這個功能後,使用者可以看到如下的對話框畫面,畫面中不同的區塊包含了不同的功能類型的設定。

無論有沒有Clear Data Setting的設定,這個工具永遠都會在評價函數最上面,加入一個NSDD的操作數,用來清空所有探測器,這對於所有非序列評價函數都是需要的。這個Clear Data Setting設定則是允許使用者在評價函數中的任何一個位置,清空任何指定的探測器。基本上,這個功能對於某些使用者並不需要,而對於另一些使用者則非常有用。除非你很確定你要的是什麼,否則請讓這個設定保持原樣。
Raytrace Settings支援使用傳統方法或是LightningTrace™ (LT)來計算光線追跡。預設是傳統光線追跡;如欲使用LT,請勾選 “Use LightningTrace™” 選項。請注意LT只支援Detector Rectangular以及Detector Color兩種探測器物件的空間分佈資料。若勾選使用LT,則可用探測器下拉選單,會自動篩選更新為支援LT的探測器。欲知道更多關於LT以及取樣設定的資訊,請參考Zemax OpticStudio使用者手冊。
Criteria Settings這個區塊定義了評價函數中需計算那些目標值。評價標準 (Criteria) 欄位的下拉選單內容中,可用評價標準會根據選定的探測器而有不同的選項。在 “Boundary” 欄位中可以設定目標條件,而在 “Target” 欄位中則可以定義目標值。此外我們還可以設定一個最小光通量限制。這個設定有時候是必須的,用來避免優化最後產生沒有任何光線落在探測器上的結果。如果評價標準 (Criterion) 的目標值會因為沒有任何光線落在探測器上而達成的話,那麼最小光通量就必須設定一個非零的值。
評價函數設定精靈透過使用Apply按鍵,可以動態的創建評價函數。當我們點擊Apply,OpticStudio會根據現有設定加入操作數,但對話框不會自動收起來,讓使用者可以加入更多的評價標準。在點擊Apply按鍵後,清空資料以及光線追跡這兩個區塊,預設狀態會變成不啟用。基本上這些設定只會在評價函數開始時設定一次,但如果使用者需要的話,仍然可以透過勾選快速的再次啟用這兩個區塊。此外您也許注意到, “Start At” 欄位的數值也更新到評價函數的最底部,讓新加入的操作數不會複寫任何現有的操作數。如果您的設定只需要一個評價標準 (Criterion) ,則可以簡單的點擊一下OK,系統會根據設定加入操作數後,把優化設定精靈的對話框自動關閉。

投影機範例
現在讓我們來舉例如何使用這個精靈,請打開以下檔案: “<data>\Samples\Non-sequential\Miscellaneous\Digital_projector_flys_eye_homogenizer.zmx” 。如同可以從檔案名稱看出來的,這個系統被設計用在數位投影機上。系統中,光線經過微透鏡陣列後,等效於轉換為光源陣列的形式,來讓最後的出光均勻。這個系統已經被優化過了;但我們還是可以藉由設定一組評價函數,來解說哪些評價標準 (Criteria) 對於這樣的系統是重要的。

對於任意的投影系統,兩個最重要的目標就是均勻度與效率。我們可以創建一組目標符合這兩個條件的評價函數。請打開評價函數編輯器,並點選視窗上方的 “Wizards and Operands” 打開設定精靈。如同前面所述,基本上我們把Clear Detector Setting保留預設不動。而在Raytrace Settings區塊中,我們勾選 "Split rays" 、 "Use polarization" 以及 “Ignore errors”。我們的目標是最終影像平面,因此在Detector欄位中選定探測器物件7。我們將會定義 “Spatial Uniformity” 做為評價標準 (Criterion),並且將目標設定為0。請注意在系統中,這個目標實際上是計算光通量分佈的標準差,因此0代表完美的均勻。其他的設定我們保留預設,然後我們點擊一下Apply按鍵。整個設定精靈的最終畫面如下所示。

可以看到系統依據我們設定,在評價函數中產生對應的操作數。請注意評價函數設定精靈的對話框仍然保持開啟,但Clear Data Settings和Raytrace Settings的區塊已經取消勾選了。接下來要定義任何額外的優化目標都不需要再重新加入這些操作數。同樣的, “Start At” 欄位也被更新到最底下的欄位上,任何新增加到評價函數的操作數都會被加到現有所有操作數的下面。
如果我們需要設定一個效率為100%的目標,可以簡單的使用 “Minimum flux” 的設定;然而,我們將設定一個更符合真實的閥值做為效率目標。對於投影機來說,合理的效率目標可以定為至整65%。我們的投影機光源是10,000流明的燈泡。因此,我們的目標將會是總流明要大於6,500流明。讓我們設定如下,然後這一次我們點擊 “OK” 按鈕。


可以看到Zemax OpticStudio在已經定義好的評價函數後面,再增加了額外的幾個操作數,以考慮總流明 (Total flux) 。在定義了這些變數之後,系統現在已經準備好可以優化了。這個加入額外操作數的流程,讓各種不同系統的評價函數都可以被快速、簡單的設定完成。

點陣圖設定精靈 (Bitmap Wizard)
點陣圖設定精靈是一個專門用來指定探測器上複雜的光通量以及色彩分佈目標的工具。請檢視下面的對話框設定,可以看到大部分設定都與之前的優化設定精靈 (Optimization Wizard) 是相同的。不同的部分主要是 “Target Setting” 的區塊。

僅有Detector Rectangle以及Detector Color可以被顯示在 “Detector” 欄位後面的下拉選單中,因為只有這兩種Detector支援這個功能。輸入的圖形檔可以是BMP、JPG或是PNG擋,這些檔案必須被放置在 “<data>\Zemax\IMAFiles” 資料夾中。這個輸入的圖檔被用來定義光通量以及色彩的相對分佈,但不會用來定義絕對光通量分佈。我們可以在使用圖檔設定相對照度分佈的同時,也用 “Total flux” 來設定對於總流明值的優化目標。如果使用者選了Detector Color,則 “Color targets” 的設定會開放選取。
畫面右側的預覽顯示了定義好的目標分佈在探測器上看起來的樣子。如果影像解析度跟探測器解析度不同時,影像會被重新取樣到探測器的大小。在上面的對話框圖中,一個306x306的點陣圖被重新取樣,降低到解析度只有50x50的探測器上。反過來說,重新取樣探測器的選項也是存在的 (Resample Detector) ,系統的做法是把探測器上的像素數設定為與點陣圖一樣。在這個設定開啟時,預覽列印只是簡單的顯示輸入影像。而在預覽列印上面我們同樣可以看出是否 “Color targets” 有被勾選,還是目標分佈單位只是被系統視為每像素光通量 (灰階) 。預覽列印是有力的工具,可以把定義好要使用的目標分佈快速的視覺化讓使用者檢視。
在這個點陣圖設定精靈中,我們同樣可以利用跟前一個功能一樣的特性,就是只點一下Apply來加入相關操作數,並且不會關閉設定對話框。請注意使用這個工具加入到評價函數的操作數可能是非常大量的。對於灰階的目標,每一個探測器上面的像素就會對應到一個操作數。對於色彩的目標,每一個探測器上面的像素會對應到三個操作數。就算是一般大小的影像檔,也可能需要一點時間才能加入全部的目標值到評價函數中。一個306x306的探測器,在灰階情況下,需要93,636個操作數,而在色彩目標的情況下,需要280,908個操作數。我們建議在能準確表現目標的前提下,使用最少解析度的圖片來設定光通量/色彩的分佈。當我們點下 “OK” 或是 “Apply”後,Zemax OpticStudio將會在視窗上跳出一個進度顯示條,如果進度顯示條耗費太長時間,您可以點一下 “Terminate” 以取消。這個狀況下,Zemax OpticStudio將會刪除任何在取消前已經加入的操作數。

色彩目標範例
為了簡單的解說這個工具,讓我們用簡單的色彩方格目標來建立評價函數,並且檢視他是如何被創建的。在這個示範中使用的圖檔被特意設計的非常基本,用來示範這個工具做了哪些動作。如同下圖所示,一個包含四個色彩的2x2方格圖檔被設定為優化目標。

如同前面提到的,當 “Color targets” 被勾選時,Zemax OpticStudio對於每個像素都加入三個目標值。這些目標值是每個像素的X, Y, Z三色刺激值。此外,一個總光通量的操作數被放置在最上面,用來確保探測器上的光通量絕對值也同樣被設定為目標。這些設定看起來也許有些數量龐大,但是這種每個像素目標個別設定的方式其實是很有效率的。一但我們追跡了光線,Zemax OpticStudio就可以很快速的決定在每個像素上面的顏色以及強度。優化時花費最多時間的是光線追跡,之後的資料計算其實是非常迅速的。

總結
Zemax OpticStudio的非序列優化設定工具 (Optimization Wizards) 讓自訂複雜目標分佈變的簡單容易。優化設定精靈 (Optimization Wizard)允許用動態的方式加入基本的優化目標。而點陣圖設定精靈 (Bitmap Wizard) 可以利用圖片檔,自動的加入任何光通量/色彩的目標分佈。一個原本耗時繁複的工作,現在可以在幾秒鐘內就由系統幫你完成。所有這些功能都可以搭配Zemax OpticStudio中強力的優化工具以及內建的各種演算法來運作。

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