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Ansys Speos | Optimization小工具快速优化设计

概述


优化是一个有助于找到一个光学系统的最佳解决方案的实验过程，它主要是利用参数的变化而试图达到预期的结果。在Speos 2023 R2中提供三种可供选择的方法来执行此类分析。第一个是基于workbench创建的优化，可以参考文章（基于Ansys Workbench和Speos的准直全反射透镜优化设计案例），第二种使用optiSLang及其强大的优化功能，在optiSLang种直接调用Ansys Speos求解器，访问发布的参数，设计识别最重要的输入参数，多目标优化在不同目标之间进行权衡，第三种是利用嵌入到Speos中的优化工具optimization，允许基于随机算法Random search设置一个优化，以研究不同参数集对仿真结果的影响。



本案例讲述使用Speos optimization 优化工具，快速优化设计。为描述案例讲解过程，首先对optimization工具的参数进行详细解释。


优化模式


Speos optimization优化功能提供三种优化模式: Random Search随机搜索算法是一种基于随机的全局优化方法，优值提供函数定义优化的收敛过程，Minimize允许获得尽可能接近目标值的模拟值。Maximum允许获得尽可能远离目标值的模拟值。Design of Experiment实验设计允许定义变量的值，通过使用基于所选变量的Excel文件来定义变量。Plugin插件允许使用自己创建的优化算法，以便在分析中增加更多的灵活性。



变量类型


Optimization特性根据变量的来源提供了三种变量类型。



Simulation variable模拟变量对应Speos的仿真变量，在此变量列表中可以选择光源的参数、探测器的参数、包括3D texture的参数。在optimization设置列表中，可以查看添加到优化中的变量的当前值，和数值变量可变范围，可以修改min和max的数值，使得变量在更大或更小的范围内变化。



Design variable设计变量对应于光学部件设计参数，在Speos 中完成的所有OPD光学部件设计参数，都可以作为优化变量选择optimization中，例如lightguide、TIR、optical lens、optical surfaces等设计参数。在optimization设置列表中，可以查看添加到优化中的变量的当前值，和数值变量可变范围，可以修改min和max的数值，使得变量在更大或更小的范围内变化。



Document variable对应于可以在spacecclaim Groups面板(驱动维度，脚本参数)中创建的输入参数，也可以是机械变量参数，例如机械半径等参数。在optimization设置列表中，可以查看添加到优化中的变量的当前值，和数值变量可变范围，可以修改min和max的数值，使得变量在更大或更小的范围内变化。




优化目标


优化目标对应于想要评估的目标结果，是整个优化过程的最终评估元素。为了得到目标首先需要建立direct或者是inverse仿真，运算仿真得到XMP结果后，使用measure功能确认目标数值，例如RMS、average等，得到一个含有目标结果的XMP。然后创建优化optimization后，在target列表选择评估目标。



优化


  1. 在Speos中，打开案例LightGuide_Tutorial，此案例可以在Ansys learning Hub优化课程中找到。
  2. 定义光源、探测器、材料属性、直接仿真运算得到XMP仿真结果。
  3. 对仿真结果中的出光区域的RMS做为目标优化值。
  4. 点击optimization，选择light guide仿真，选择R1-R5作为document variable，并修改参数变量的min和max。选择RMS作为target， 设置目标值，权重为1。
  5. 选择random search，Minimize优化，仿真运算时间600S，GPU运算仿真。
  6. 最终得到如下结果，优化后RMS降低，整体均匀性提高。