LightTools优化模块用户指南

LightTools优化模块用户指南

（郑建锋

（声明:免费共享资料，严禁用于任何形式的商业目的!!！

目录

序言.............................................I第一章概述..（1

1.1优化流程:优化步骤概述（1

1.2优化要素（1

1.2.1优化变量（OptimizationVariables（3

1.2.1.1变量的增量（Increment（5

1.2.1.2变量的概要（Summary（6

1.2.1.3设定变量的上、下边界（7

1.2.1.4将变量值恢复到任何一轮优化迭代计算（循环开始前的方法（7

1.2.1.5将一个透镜的曲率半径定义为优化变量（9

1.2.2优化的约束条件（OptimizationConstraints（9

1.2.3优化特征函数（OptimizationMeritFunctions（10

1.2.3.1基于光线的优化特征函数（Ray-BasedMeritFunctions（II

1.2.3.2无效光线的去•除（12

1.2.3.3基于蒙特卡洛仿真的优化特征函数（MonteCarloSimulation-basedMerit

Functions(13

1.2.3.4蒙特卡洛优叱算法种子（seed的控制（13

1.2.3.5对于蒙特卡洛优化算法究竟需要追迹多少根光线？（14

1.2.3.6可用于优化的分布式仿真（DistributedSimulations（14

1.2.3.7特征函数的分组（15

1.2.3.8特征函数值的计算（15

1.2.3.9为特征函数次分配权重因子（16

1.3优化的输出（17

1.3.1优化一览表（17

1.4优化参数选择（18

1.4.1默认的选择（18

1.4.2显示格式的选择:显示优化组件的文本的颜色（21

第二章LightTools中的优化特征函数（22

2.1基于光线的特征函数（Ray-BasedMeritFunction（22

2.2基于蒙特卡洛光线追迹的聚焦特征函数（FocusMeritFunction（22

2.2.1定义聚焦特征函数的方法（22

2.2.2使用聚焦特征函数的例子（24

2.3基于蒙特卡洛光线追迹的准直特征函数（CollimateMeritFunction（27

2.3.1定义一个准直特征函数的方法（27

2.3.2使用准直特征函数的例子（29

2.4聚焦特征函数和准直特征函数的高级选项（30

2.4.1修改聚焦和准直特征函数“Parameters”标签下的选项（31

2.4.2修改聚焦和准直特征函数“Controls”标签下的选项（32

2.5修改准直或聚焦特征函数“User-Defined”标签下的选项（36

2.6有关聚焦或准直特征函数的高级应用的例子（37

2.7基于蒙特卡洛光线追迹的数据网格特征函数（MeshMeritFunction（41

2.7.1数据网格特征函数对•话窗口中的“Controls”标签（41

2.7.2有关数据网格特征函数的例子（42

2.7.3在数据网格特征函数中使用网格孔（MeshAperture（53

2.7.4计算噪声水平（NoiseFloor（55

2.7.5指定退出优化的条件（57

第三章与优化相关的参数控制（58

3.1“参数控制”例子:添加一个约束条件（58

3.2用“拾取”（Pickups和“别名”（Aliases功能控制模型的几何尺寸（61

第四章参数灵敏度分析（63

4.1什么时候使用“ParameterSensitivityUtility”（参数灵敏度分析程序（64

4.2在LightTools的优化中定义优化变量和特征函数（64

4.3设置“ParameterSensitivityAnalysis”（参数灵敏度分析（65

4.3.1为“ParameterSensitivityAnalysis”（参数灵敏度分析添加变量（65

附录CLightTools提供的一些数学函数（98

序言

几年前，翻译了一份LightTools软件的中文说明。由于水平有限，翻译得不够严

谨，出现了很多错误,但还是得到了大家的鼓励。后来,LightTools新增了优化设计功

能，在工作中需要的时候经常查看软件自带的说明书中有关优化功能的内容。由于

是英文，翻阅比较麻烦，所以利用工作闲暇之余对LightTools6.0.0版本软件自带的英

文说明书中新增优化模块的使用说明进行了翻译，希望能够对大家有所帮助。

回想当年,还是一名不谙世事的“愤青在学校的时光转瞬即逝,如今已到而立

之年,少了几分豪气云天。年少时就没有多少锋芒，工作中的挫折疲惫又磨砺去了这

少得可怜的锋芒。一霎那，恍惚若有所失的感觉。我们会老去,他们只想让我们平淡

地老去，顿悟这一切。我们还是有时候会考虑梦想，我们还是有时候会年少轻狂，我们

还有一颗激流勇进的心。在此写下这一段废话，只想点燃我们奋斗的激情。

在此,感谢恩师朱秋东对我的培养，他教会了我很多知识和做人的道理！

下面的诗献给耐心的你们：

无题

（此诗2001年深秋作于北京理工大学

我走在秋的风中

望着日渐成熟的太阳

还有那冷冷的天空下

老去的白杨一片片凋落着自己的沧桑

鸟儿走了没有留下一片羽毛

空荡荡的还有什么可以幻想

只好用回忆麻痹忧伤

而昨日已那么漫长又如何看清你的脸庞

（声明:免费共享资料，严禁用于任何形式的商业目的!!！

郑建锋

2011-11-18

第一章概述

LightTools的优化模块（OptimizationModule提供了对照明光学系统进行优化的

功能，该功能基干你指定的标准对光学系统进行优化以提高系统的性能C

1.1优化流程:优化步骤概述

执行优化所需的基本步骤如下所示：

①创建或者打开一个已存在的LightTools模型；

②至少定义一个变量（同时可选择定义变量的范围；

③至少定义一个优叱特征函数；

④可选择定义:约束条件；

⑤确保光线到达优化特征函数指定的目标或者接收器（receiver;

⑥可选择定义:对退出优化进程的条件进行修改例如可以修改优化迭代

计算的次数；

⑦检查噪声水平（noisefloor（只用于基于蒙特卡洛光线的特征函数;

⑧运行优化程序；

⑨查看优化结果；

⑩如果需要则重复以上优化步骤:修改优化输入重新执行优化程序，重新查看优

化结果。

1.2优化要素

优化过程必须具备三个关键要素，在以下的章节将对这些要素进行描述：

1优化变量（OptimizalionVariables

1优化约束条件（OpMmizationConstraints

I优化特征函数（OplimizationMeritFunctions

为了使用优化模块,你需要从一个优化变量开始，并且要合理地创建系统模型。

通过鼠标右键单击LighiTools软件中各种对话窗口中的文本框很容易就可以添加优

化变量、优化特征函数以及优化约束条件,如下图所示。

rAbsolute-

X

Y

Z

AJpha

gela

Qamcna

在一个参数被设定为优化变量、优化约束条件或者优化特征函数之后,这个参

数值将以指定的颜色显示在对话框中,如下图所示为红色。

在你创建了优化变量等优化要素之后，你可以通过使用“Optimization

Manager”（优化管理器来查看或改变这些要素。在LightTools软件的主界面下，可以

通过点击“View>SystemNavigator”菜单项打开“SystemNavigator”（系统浏览器或者

通过点击“Optimization>Input”菜单项打开“Optimization”（优化对话窗口进入优亿管

理器,如下图所示。

FtAlSametaqlitVonH(OptM"Rexwvti

FtAl*£<ftIrMQng

Repaint

，UMWMatemh

U»ev

JWndowNdvioator-(•mponrril.

'SystemM#vigatoras」

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.Output

一PianeHw*>¥e.l

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•Ray%

•IJiwi*3>ar

X"DpemwattoiMaMQrT\

|■V«ruMrsLr、

i♦CofwtratitS

♦Mer<KrtdEJ

1.2.1优化变量(OptimizationVariables

在一个优化问题中，变量（例如高度、长度、或者一个元件的曲率半径等参数是

模型的一个参数，你可以允许LightTools对其进行改变以改进所优化光学系统的性

能。大部分在LightTools中输入的模型参数都可以被作为优化变量使用。对优化变

量进行合理的设定在LightTools的优化中至关重要,它将决定整个优化的成功与

否。

虽然LightTools为每一种优化变量的上、下边界提供了合理的默认设置，但在

一些特殊情况下修改这些默认设置对于优化非常重要,例如在变量的物理和数学界

限已经确定的情况下（如一个元件的位置。

要指定一个参数为优化变量，你可以打开一个显示该参数的对话窗口，将鼠标的

光标移动到该参数上，右键单击，在弹出菜单中左键点击“AddOptimizationVariable”

菜单项，如下图所示。

-CdbeFmtheJ

(BvkSurtece)

.TopS^fm

(RcrtSuKace)Absolute

•a55urf，ej?Kaooooo48

•H4nwwY002681rches

•pUrwlnrerfMe.S

RwytZ150000hches

llumMtion

OgittmUirftafiMwagrrAlpha14109de9eet

V4fMbftes

fRe<a000degreet

M)htQAmrta000

ComtraMB

•MertlRmcliM

在一个参数被添加为优化变量之后，它将被列在优化管理器（Optimization

Manager的变量（Variables列表下，在对话框中它将以红色显示，如下图所示。

FCubePrimtrve_2

Coordinates

(LeftSoface)

(BackSurface)

*TopStrface

(Frontsurface)「Absolute-

(BottomSvf»ce)

.RightSurhce工X

PlanePrnwtJveI

3HafPlaneY

♦ptanelnterface.5

♦RaysZ

♦iNumindtkmManager

DptimizaionMan<tQerAlpha

•dVariables

A丫Beta

AlphaGamma

Constraints

定MeritFunction

你可以从一个显示参数变量的对话窗口中移除已添加的变量，或者从优化管理

器（OpUmizalionManagei•中移除优化变量,如下图所示。

Optimization

±1jJControls|DatabaseDefinition|

SOptimizationManager

0Variables

Value

Alpha

Lv「UpperBound

®Constraints

l+lMeritFunction「LowerBound

1.2.1.1变量的增量（Increment

在LightTools的优化引擎对系统进行优化以寻找最适宜的解决方案期间，优化

变量的值将会发生变化。变量变化时合适的变化增量（即优化过程中变量每次步进

变化的值的大小取决于变量的类型，并且LightTools将自动为300多种变量进行默

认增量值的设定。

以下选项可用丁设定变量增量的计算：

1IncrementType（增量的类型一对于该项你可选择三种选项用于变量增量的计

算,如下图所示。

Optimization-1□1x|

±1.d

BOptimizationManager

EVariables

Alpha

Y

0Constraints

®MeritFunction

2BasedonModel（基于模型一这是LightTools的默认设定,它可以基于模型提供

的信息获得一种较好的变量的导数增量（variable

derivativeincremcnto选择该选项，可以使你在进行增量的计算之

前不必设定好所有的优化选项，与其他选项相比，该选项能够工作

得更好。

2BasedonMeritFunction（基于特征函数一可以基于特征函数受变量影响的灵敏

度获得一种较好的变量的导数增量（variable

derivativeincrementoLightTools重复改变变量的值,然后计算特征

函数，最后选择确定变量每次改变的合适的增量值。在这三种选项

中,该选项可能需要花费更多的时间进行计算以确定变量的增量；

在一些特殊的情况下，当默认的增量计算方法不合适的时候，采用

该选项将非常有效。

2UserSpecified（用户指定一允许用户自己指定变量的增量。

1RecalculateWhenStartingOptimization（当开始优化时重新计算一控制在优化

过程开始后LightTools是否使用现有的增量。当以上选项设

定为“UserSpecified”时该选项不可用。

当你使用默认设定时，该选项为被选中状态，在优化开始之前LightTools

将重新计算以确定变量的增量。

如果你关闭该选项,LightTools将使用已有的增量（从上一次优化中得

到的作为此次优化的初始值，这将节约时间。

1Recalculate按钮（重新计算按钮一使LightTools基于上方“Type”

选择栏中的选项快速计算以确定合适的变量增量的值。这将使你在优化

过程开始之前计算得到增量的值。这个按钮在叮ypc”选择栏选项为

“UserSpecified”时将不可用。

1.2.1.2变量的概要（Summary

在"Optimization”（优化对话窗口的浏览树中选择"Variables”标题就可以应用

“Summary”及“Increments”标签查看优化过程中涉及的变量。

如下图所示，从“Summary"标签,你可以查看和修改所有的优化变量，就像上一节

介绍的那样修改。

为了使上图中的表格看起来整齐，可以选择下方的“ShowParticipatingOnly”复

选框，选择该复选框将只显示参与优化过程的变量。

1.2.1.3设定变量的上、下边界

虽然默认的边界适合于LightTools为优化模型提供的每一种类型的变量，但是

默认的边界可能不完全满足你的需求。你可以调整模型中任何一个已经存在的变量

的边界以达到如下两个重要目的：

1避免最终的优化方案不可用。例如,你可能需要将位置变量保持在一定的边界

范围之内以避免不同的物体发生位置重叠。

1去除潜在的可能浪费优化运行时间的解决方案以加快优化的运行速度。

例如,LightTools坐标系统中方位角a,p,y默认边界为-360。一+360

。。这个边界范围非常大，你可能不需要这么大的角度边界，因此你可

以修改方位角的默认边界范围。

对于优化引擎，你所设定的优化变量的边界值是一个绝对的界限。

121.4将变量值恢复到任何一轮优化迭代计算（循环开始前的方法

Lighuools采用迭代算法对模型进行优化计算，优化中每一轮迭代计算的过程都

会改变优化变量的值。通过选择“Optimization>ApplyInitialVariableValues”菜单

项就可以使模型回复到最近一次优化的第一轮迭代计算开始时的状态。如果你在两

次或多次优化过程中没有清除每次优化过程中迭代计算的结果，那么将出现如以下

例子所示的情况。下图所示的对话窗口的列表中显示了第一次优化过程中9轮迭代

计算的结果。

二次优化过程中每一轮迭代计算所得的优化特征函数的结果。

Summary

Value

61.6842

71.4923

81.>1864

91.4864

10[Initial]1.4864

111.4844

121.4836

Endof2>ataI

在以上例子中的第二次优化过程完成后，可以通过选择“Optimization>Apply

InitialVariableValues”菜单项使模型回复到第10轮迭代计算时的状态，第一次优化

过程进行了9轮迭代计算,第二次优化过程从第10轮迭代计算开始。

你也可以通过右键点击上图“Summary”标签下的迭代计算列表然后在弹出

菜单中选择相应的选项从而使模型回复到列表中列出的任何一轮迭代计算时的

状态。注意这项功能只在仿真结束后你没有对模型进行任何改动的情况下才可

用。任何模型的改动将会使该功能不可用，除非你开始新的优化。

1.2.1.5将一个透镜的曲率半径定义为优化变量

你可以使用模型中透镜的曲率半径作为优化变量。右键点击曲率半径（或曲率

在弹出菜单中选择相应选项就可以将其定义为优化变量，然后LightTools就会创建

一个曲率半径对应的带正负符号的优化变量,如下图所示。

NrwtfWj

-d-d•**,••y|Ti^Ptxri»|Av13N

3A，■・・

Ql-PMj"

Sl^i・F・,1\(7，“，八■I・

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还

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「rrFTNTTC

曲率半径被定义为变量之后在优化过程中透镜的曲率半径值、凹凸形状都可能

发生变化。

注意:对于薄菲涅耳透镜来说，默认的优化变量是曲率，因为它的曲率与曲率半径

相比变化更加线性。

1.2.2优化的约束条件（OptimizationConstraints

优化的约束条件（Constraints是你为优化指定的边界。在添加约束条件的同时

你也添加了一个变量，你可以通过如下方法添加约束条件:使用对话窗口中的文本框,

如下图所示。右键点击一个文本框，在弹出菜单中点击“AddOptimizationConstrainf,

选项之后将会弹出一个对话框，如下图右侧所示。

当以将M义地的闰

侨力为一个优工变

?:常也3t

:"二个二丁工EH,E

•.a-寺

二XHiT*ifcx

¥

lt-

zrlIni

还lh

约束条件定义了一个参数的值和目标值之间的数学关系。在上面的例子中，平

均照度的值被定义为一个优化的约束条件，它的值被约束到大于等于75。

定义约束条件的目的是使LightTools在优化的同时满足约束条件指定的数学美

系,可以为约束条件指定如下三种数学关系：

1参数的值小于等于约束条件指定的目标值

1参数的值等于约束条件指定的目标值

1参数的值大于等于约束条件指定的目标值

一个参数被定义为约束条件之后，它将被列在优化管理器（OptimizationManager

的“Constraints”标题项之下,并且在“Properties对话窗口中它的数值将被默认以紫色

显示。在对话窗口中,右键点击相应区域然后选择"RemoveOptimizationConstraint^

菜单项，或者在优化管理器中右键点击相应区域然后选择“Delete”选项都可以删除已

存在的约束条件。可以通过在LightTools系统浏览器（SyslemNavigator中双击约束

条件或者在优化管理器中右键点击弹出菜单修改约束条件。

BOptimizationManager

+Variables

EConstraints

Average

±MeritFunction

[±]ParametricControls

1.2.3优化特征函数（OptimizationMeritFunctions

优化特征函数设定了模型性能优化的标准。优化特征函数也被称作误差函数

（errorfunction,因为在优化期间它的数值变得越小，那么优化特征函数值偏离目标值

的偏差也越小。

在建立优化函数时，你可以使用：

1任何输入、输出或者实数空间的合适数值

1接收器（receiver照明数据网格（illuminationmesh中的数值

1适用于常规性能标准的用户定义的优化特征函数

在一个优化中，为优化添加一个特征函数的方法类似于之前所述添加变量和添

加约束条件的方法:通过将鼠标移动到相应的区域，右键点击该区域并在弹出菜单中

选择相应菜单项就可以添加一个优化特征函数项，如下图所示。

UJ

:巴

E

一

如

所

对

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点

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一

料

数

a的

fir

髓耀州解翳胞解篦

在一个参数被添加为优化特征函数项之后，它就会被显示在优化管理器的优化

特征函数标题栏下，并且在对话窗口中它的数值将被以红色显示。要删除优化特征

函数的某一项，你可以在优化管理器（OptimizationManager的优化特征函数栏下右键

点击并在弹出菜单中选择“Delete”菜单项，或者在对话窗口中右键点击相应的优化函

数项并在弹出菜单中选择“Delete”菜单项来删除。

在LightTools中，优化的性能衡量指标可以有很多种不同的方式，两种常用的为:

1使用单独的光线（rays,光线扇（rayfans,光线网格（raygrids

1使用照明仿真的结果（参考基于蒙特卡洛光线仿真的优化特征函数1.2.3.1基

于光线的优化特征函数（Ray-BasedMeritFunctions

由于基于光线的优叱特征函数（ray-basedmeritfunctions与基于蒙特卡洛算法的

优化特征函数（MonteCarlo-basedmeritfunctions相比涉及的光线较少，因此，基于光

线的优化特征函数占用计算机运行的时间相对较少。即使在优化的最后必须采用蒙

特卡洛光线仿真，我们还是推荐你在优化初期采用基于光线的优化特征函数。

假如在你的模型中使用了单独的光线，你就能够优化这些光线的位置，或者这些

光线与一个精细表面相交的角度以及光线/表面相交的其他参数。例如,如果在YZ

坐标面内有一束光线扇（afanofrays,你希望优化光学系统的模型来

使该光束聚焦且聚焦点的Y坐标为一个指定的值（Ytarget，你就可以构造以下

形式的优化特征函数：

（（2arg£-ettiiYYW

为了减小该优化特征函数的值，优化程序会修改你模型中的变量以使光线扇中

的每一条光线经过该光学系统聚焦后的Y坐标的位置尽可能接近指定的目标值（Y

target。你可能需要修改该光线扇中一些特定光线的权重因子（Wi,例如，如果轴上

光线的聚焦比边缘光线的聚焦更加重要的话，你就可以在该光线扇中为轴上光线指

定更高的权重因子。

1.2.3.2无效光线的去除

采用基于光线的优化方式（ray-basedoptimization时，在首次对优化函数进行计

算时部分光线可能出现偏离目标的情况。如果发生了这种情况，对优化来说这些偏

离目标的光线就成为无效光线，并且在接下来的优化期间只对有效光线进行计算。

无效光线会被排除在优叱特征函数的计算之外直到优化结束。如果你重新运行优化

引擎，程序将重新检验光线的有效性，先前被排除在外的无效光线可能成为有效光

线。此外，在每次开始优化的时候,一个列出了每个基于光线的优化特征函数中无效

光线的列表将被显示在一个警告对话框中（例如,GroupnsRayFan_2-Warning:Iout

of11raysinvalid。

你可以在基于光线的优化特征函数的“Controls”标签下的列表中查看有效光线

和无效光线，如下图所示，或者在“OptimizationResults”（优化结果对话窗口中的

“MeritFunction”（特征函数标签下也能看到有效光线和无效光线。

OptimUMftonjJfljxJ

djjjCohkck|

=Opbmatbon

M««FiMKtonItemY^ue|-30673

£VarMbies

Coratrarts

MertFEonItemWM|1(XfXD

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1071068000000100000071068OJO

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ValidraysnsR*yF«nJ2/4151916000000t0000019191601

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ftjfl«yF«n_2/5247052000000

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rwR*yfan/r9JOOOOOOrdoood

InvalidraysftSfiayFan_2JlO_ococooI00000

(5686^)I00000

f-SetAIT«ge<Vahjei

LIOOOOOO

上图红色方框内的“Valid”为一只读的选择框。如果光线是有效的，该选择框就

会被选中;如果光线是无效的，该选择框就不会被选中，并且“Data”,“Delta”以及

“Contribution”栏都是空白无数据的。

1.2.3.3基于蒙特卡洛仿真的优化特征函数（MonteCarloSimulation-basedMerit

Functions

如果所设计系统的性能是通过LightTools的光学仿真进行计算的，你就可以根

据仿真的结果定义优化特征函数。单独的数值，例如总的光通量，平均偏差等，或者整

个网格数据都可以被作为各种优化特征函数的组成要素。你可以将单独的网格单元

或者整个照明网格的数据定义为优化特征函数。

如下图所示，通过使用“MeritFunction”标题栏项下相应选项的“Controls”标签中

的选项你就可以控制LighlTools在计算特征函数值的同时是否运行仿真。默认的选

项是被选中,如下图红框中所示。

1.2.3.4蒙特卡洛优化算法种子（seed的控制

LightTools的优化引擎需要将优化前模型的特征函数和优化后模型的特征函数

进行对比以查看模型的哪些改变提高了系统的性能。当特征函数的计算变得嘈杂

（noisy,就必须考虑噪声（noise对计算的影响。对于不同模型的计算分析，噪声的值必

须为常数,这点至关重要，这里的噪声是指仿真中使用的一种与一些特定光线有关的

函数。勾选“SimulationProperties”对话框中的“RandomNumbers”标签下的

^ReinitializeRandomNumberSeeds”选项就可以确保以上的要求生效。在新版本的

Lighttools中该选项默认被选中，而使用老版本的Lighttools保存的仿真模型中该选

项可能没有被选中,因此必须重新选中该选项。

1.2.3.5对于蒙特卡洛优化算法究竟需要追迹多少根光线？

虽然确保追迹充足数量的光线以便将特征函数的值从噪声水平中区分出来至关

重要，但是通常在仿真中不用追迹过量的光线，而只要能够满足给定的精度等级以达

到分析的目的就可以了。仿真期间需要关注的问题是优化程序对模型作出的改动使

特征函数的值发生变化的同时也改变了模型的整体性能。

对特征函数进行定义，在比分析计算要求低的相度或数据网格分辨率的情况下

提升模型的性能，这是存在可能性的，尤其在设计的初期。

在首次运行蒙特卡洛光线追迹时，一个推荐的标准是对于接收器（receiver的每

个数据网格单元（datameshbin至少需要40条光线。因此，对于一个有20个数据网

格单元的接收器,你需要为接收器设定800条均匀分布的光线。在一次仿真计算中

你可能需要定义多于800条的光线以确保有800条光线到达接收器。

当使用简化的数据网格（mesh作为优化函数，在优化过程中你就需要查看优化前

后设计模型的性能以确保模型的变化和特征函数的变化相关联。为了使一个设计达

到它最终要求的性能水准,你必须为仿真添加光线以降低噪声水平从而实现足够的

精度和数据网格分辨率，使优化程序得到最好的分辨率。

1.2.3.6可用于优化的分布式仿真（DistributedSimulations

使用LightTools优化模块，当需要进行照明仿真时,你可以在优化过程中采月分

布式计算的方式（可参阅LightTools软件自带说明中“LightToolsIlluminationModule

User'sGuide”章节中的"RunningaDistributedSimulation”部分。分布式仿真计算是

指采用由服务器和客户端计算机组成的多台分布式计算机来进行的计算方式。

卜图所示的“OptimizationManager”对话框中的选项可以用于激活用于优化的分

布式仿真计算功能。要显示该对话框，选择菜单项Optimization>Input,然后在弹出

窗口中选择"Controls”标签。

Optwm/Jitkon

♦Jd

•OpttvmttonM4rM91r

EwtCorMt

MMMKdCfdrt

$lopwhenMeatFxjKftcr

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MeftFiXA0nx000000

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当上图所示红框中的“DistributeSimulationBasedMeritFunctions”选项被关闭时

（即没有被选中，默认状态，程序对模型进行优化分析时将采用单台计算机进行所需的

仿真计算。当该选项打开（即被选中时，程序优化分析时将使用分布式排布的多台计

算机进行所需的仿真计算。

1.2.3.7特征函数的分组

特征函数可以被分组，并且每组可以包含多个特征函数项。当你选择添加一个

或多个参数为特征函数项时，你既可以创建一个新的分组（选择弹出菜单中的Addto

MeritFunction>New菜单项，也可以将其添加到一个已存在的组。一个已存在的特

征函数分组的名称将显示在下图所示对话窗口的文本框中。

特征函数分组中每顷都可以拥有不同的目标值和权重因子，你可以控制分组中

单独的一项使其有效或无效。你也可以控制每组特征函数的权重以及有效或无效来

对优化施加影响。这些控制的选项被显示在特征函数的“Summary”标签下，如下图

所示。你可以选择下图对话窗口底部的“ShowParticipatingOnly”选项以展开列表中

的每一项。

1.238特征函数值的计算

当你运行一个优化时LghtTools将计算特征函数值，这是优化进程的一部分，特

征函数值的计算公式如下所示：

Optimization

以上公式中各个符号的含义如下：

Wg是每组特征函数分组的权重因子

wi是特征函数分组下每一项的权重因子

Vi是特征函数项的当前值

Ti是特征函数项的目标值

当你添加了特征函数项或者修改了模型后，特征函数的值将发生改变，在再一次

优化开始前你可以手动对特征函数值进行重新估计以确定你作出的变动的影响。你

可以对每个分组的特征函数值重新进行估计，可以对任意分组下任何一项特征函数

值重新进行估计，你也可以对整个特征函数值重新进行估计。下图显示了

“Summary"标签下的"Evaluate”按钮。

Oplimizdliuii

Summary|

3OptimizationManager

126.83057(Evaluate

tiVariablesLastCompiitedValue

±iConstraints)

SMeritFunctionLastCompirtedNoiseFloof0.00000Calculate

ft；FocusUpper

EFocusLowerGroupValueEnabledWeight|ContributionNoiseFloor

1Focus121.46455|71.000000.957690.00000

Upper

2Focus0.000001.000000.000000.00000

Lower

EndofData

默认情况下,LightTools将运行仿真计算以对基于仿真结果的特征函数值进行估

计（在"MonteCarloSimulation-basedMeritFunctions”章节已经对此进行了讲述。确

定该选项（即是否在估计特征函数值时运行仿真是否被选中是一个良好的习惯。

1.2.3.9为特征函数项分配权重因子

通过为特征函数的每一项分配权重因子,你就可以告诉LightTools的优化程序

哪些特征函数项比较重要。调整该特征函数项的权重因子将使该项对特征函数值的

贡献发生改变。下图所示红色框中的“Contribution”一栏使你能够查看哪些特征函数

项对整个特征函数值的贡献较大。优化程序将在贡献较大的特征函数项上花费更多

的计算。对于所有特征函数项而言，默认权重因子的值都为l.Oo

Optimization,!□!x|

Summary

日OptimizationManager

126.83057(Evaluate

fflVariablesLastCompiitedValue

tiConstraints)

0.00000

3MeritFunctionLastCompcitedNoiseFloorCalculate

SFocusllpper

+FocusLowerGroupValueEnabledWeight|ContributionNoiseFloor

1Focus121.464551.000000.957690.00000

Fl__J

Upper,|

2Focus0.00000R1.000000.000000.00000

Lower

EndolData

1.3优化的输出

优化完成后的输出结果在一个专门的窗口中显示。针对每轮优化将显示如下信

息：

I特征函数的值

1优化变量

1优化约束条件

I优化约束条件的耗费（即特征函数对单个约束条件的灵敏度

在每轮优化结束时,在设计窗口中将显示并且更新错误信息。当出现如下情况

时将显示错误信息：

1系统没有定义优化变量

1系统没有定义特征函数

1系统中光线没有到达任何目标或者由数据网格（mesh特征函数定义的接收器

出现这些情况之后，你必须在重新运行优化进程之前更改系统设置以解决这些

问题。

1.3.1优化一览表

1对于所设计的系统，首先确定最简单的可实现的设计方案。如果在首次优化之

后，系统得到了合理的改善,那么接下来根据需要增加复杂性。

1确保至少有一个合法的变量和合法的特征函数可用。如果该条件不满足，则

“Optimize!”（优化菜单选项将不可用。

1对于基于光线的特征函数（ray-basedmeritfunctions,要在优化开始时保证所有

的光线到达指定的目标表面。

1对于基于蒙特卜洛光线追迹算法的特征函数（Monte-Carloraybasedmerit

functions,要保证充足数量的光线到达接收器。

2点击“Evaluate”按钮可以查看MF（特征函数值和噪声水平（noisefloor。如果噪

声水平那么就尝试以下操作：

0减少接收器网格单元的数目

0增加仿真计算的光线数量

1确保优化变量的初始值与约束条件的上下边界值不重合。

2如果所设计的系统是对称的，可以减少变量的数目，采用“pickup”

的方法（与Zcmax软件中的一样绑定模型中对称的参数。

2对于采用均匀数据网格的特征函数，如果知道该均匀网格的数据只在一个方向

上发生变化则可使用ixn的网格代替mxn的网格，这

将对降低噪声水平以及减少优化所需计算的光线数量有所帮助。

2无论何时,只要知道了变量的取值范围就要为变量定义边界条件。

1在运行完优化之后，要对优化的结果进行关注，尤其在所优化的系统没有明显改

善的情况下，主要关注以下几方面：

2查看结果并且查看每个变量发生了什么样的变化。

2读取控制台（console窗口或者信息记录（messagelog以查看警告（warning或者

错误（error信息。

2如果优化后的系统没有达到预期的效果，可以查看是否因为优化的循环次数达

到了最大值或者噪声水平超过了标准而使优化发生了中

断。

1.4优化参数选择

对于优化模块，你可以进行如下两类选择：

1默认的选择

1显示格式的选择:显示优化组件的文本的颜色

1.4.1默认的选择

在“Preferences”对话框中你可以为“Optimization”选项指定默认的值，如下图所

示。为了显示“Preferences”标签，请依次选择Edit>Preferences菜单项，然后点击

“Default”项，最后点击“Default”项下面的“Optimization”选项。

1DisplayIntermediateModelUpdates（实时更新显示优化过程中模型的改变一选

中该选项，在你开始优化过程后,LightTools会更新设计视图以反应出模型随着优化

的改变。你可能会看到模型中的元件变得更长或更短,或者元件之间的间距发生改

变,这些都是因为优化变量的值发生了变化。该选项控制了优化过程中模型图形显

示的更新频率。

当你使用默认设定时，该选项是关闭的（即不被选中，在优化过程乜每当设计发

生改变时（例如在每次优化循环结束时LightTools将更新设计视图。

如果你选择该选项LightTools将更加频繁地更新设计视图（例如，在每个变量发

生微小变化时，此时该变量离最后的结果还有很大的差距。

1DisplayWarningifReinitializeRandomSeedsisOff（当"ReinitializeRandom

Seeds”选项关闭时显示警告信息一在你开始优化过程后，该选项可以控制警告信息

的显示与否。LightTools的优化引擎需要将初始模型和优化后模型的特征函数的性

能进行比较以查看哪些改变提高了模型的性能。当特征函数的计算变得很嘈杂，那

么噪声的影响就很重要，这里的噪声在仿真中用一些指定光线的函数进行描述，对于

不同模型的分析它的值保持不变。选中该选项，可以确定“SimulationProperties”

对话框中的“RandomNumbers"标签下的"ReinitializeRandomNumberSeeds”选

项是否被选中。

当该选项被打开（即被选择，则在“ReinitializeRandomSeeds”选项被关闭时

LightTools将显示如下信息o

Warning

Yoursimulationsettingsincicatethatthereinitializerandom

seedcontroliscurrentlyturnedoff.Optimizingwiththissetting

offisnotrecommended

ClickCanceltostoptheoptimizationrun,orOKtoproceed

点击OK瘩钮继续开始

优化进整

Inthefuture,donotshowthiswarning>

OK|Caned-4<点击Cancel按钮停

止优化进程

W

ReinitializeRandomSeeds选

痛的借足下讣谷显”汝堂生栏自蚱

当该选项被关闭（即没有被选中,LightTools将在继续开始优化进程后不再显示

警告信息。

1RestoreVariableChangesWithUndo（采用Undo功能恢复变量的值一该选项控

制在优化进程中LightTools如何撤销优化变量值的变化。

当该选项被打开（即被选中时，默认设置为被选口状态,LightTools将使用它的

Undo（撤销功能撤销优化变量值的变化。这将消除所有滞后问题，但是可能会略微影

响优化进程的速度v

当该选项被关闭（即没有被选中时,LightTools将通过简单地采用给一个变量设

定与变化量相反的增量的方式撤销变量值的变化。虽然这样做的速度可能比采用

Undo功能的速度稍快，但是它不能保证模型中那些三I：.独立的变化被撤销。当一个或

多个优化变量的值发生变化时，你应该只在你确定变量的变化不会导致附加的非独

立的变化的情况下关闭该选项，否则你应该选中该选项。

1InvalidateMeritFunctionifnoRaysareonitsReceiver（如果没有光线至lj达接收

器,则特征函数的值将被认为无效一当该选项被打开（即被选中时，在没有光线到达接

收器的情况下优化程序将认为基于蒙特卡洛光线追迹的特征函数无效U当该选项被

关闭（即没有被选中时,不管有没有光线到达接收器，优化程序都将估算特征函数的

值。

1PlotMeritFunctiononLogarithmicScale—控制“OptimizationResults”对话框中

“MeritFunctionSummary”图表的坐标类型。当该选项被关闭（即没有被选中时，图表

将以线性坐标进行显示默认状态为关闭状态。当该选项被打开（即被选中时，图表将

以对数坐标的形式进行显示。

1.4.2显示格式的选择:显示优化组件的文本的颜色

当你添加了一个变量、约束条件或者特征函数到你的系统时，对话框中显示这

些优化元素的文本将被设定为不同的颜色以在视觉上进行区分。默认的颜色为变

量以红色显示，约束条件以紫色显示，特