引言

本文闡述了如何使用多重結構編輯器來優化公差和拾取值，這些值在任何其他編輯器中都無法訪問。

介紹

OpticStudio支持多重結構(MC)功能，允許對系統進行多種不同狀態的建模。多重結構編輯器(MCE)定義了不同結構之間系統參數的差異。這使得用戶能夠對諸如變焦鏡頭、掃描鏡和熱（多溫度）系統等組件會移動或變化的系統進行建模。

MCE在MC系統之外也有應用。它可以極大地擴展可作為優化變量分配的參數范圍，定義為擾動分析的容差，并通過求解與其他值關聯。本文將探討這三種應用的實例。

多重結構操作數作為變量

優化是指系統地改變一組可變參數以達到特定目標性能的過程。鏡頭數據編輯器(LDE)或非序列組件編輯器(NSCE)中定義的任何值都可以作為變量。然而，許多系統和表面參數并非直接在這些編輯器中定義，而是在對話框中定義，因此人們可能會認為它們不能被指定為變量。例如，系統光闌因子、系統波長和表面孔徑尺寸等。

然而，除了前面提到的編輯器之外，任何可以在MCE中定義的值都可以被分配為變量。因此，即使我們不是在對MC系統進行建模，我們仍然可以利用MCE來定義一些原本無法定義的變量。OpticStudio幫助文件的“多重結構”章節中提供了完整的MC操作數列表。一些MC操作數控制著已經在某個編輯器中列出的值（例如NPOS——NSC物體位置），一些控制值作為變量并不合理（例如AFOC——無焦圖像空間），但還有許多控制參數是人們可能想要優化但無法通過其他方式實現的。讓我們來看一個例子。

打開本文提供的“Conic Interconnect”示例文件。該系統已針對數值孔徑為0.15的高斯輸入光束進行了優化，以實現提高耦合效率。目前，光闌因子為1，這意味著1/e2強度點位于入射光瞳邊緣。

假設我們想要確定理想的高斯光源光纖模式來提高耦合效率。這可以通過優化耦合效率的漸變因子來實現。APDF MC操作數允許我們對該值進行參數化控制。打開MCE（設置選項卡...MC編輯器），雙擊類型單元格，然后從下拉列表中選擇APDF（或在類型單元格中輸入“APDF”）。像在任何其他編輯器中一樣，將該參數分配為變量。

添加此變量后，通常情況下，我們需要為目標函數添加一些邊界約束，以確保優化器不會將我們帶到不切實際的解空間。添加MCOG（多重結構操作數大于）約束（值為0）和MCOL（多重結構操作數小于）約束（值為+5），并確保將它們的權重設置為非零值：

從“優化功能區…優化”工具，運行本地優化器(DLS)，并設置自動循環次數。OpticStudio應該給出約1.75的漸變因子值。同樣，該變量無法通過其他方式進行優化。請注意，光纖耦合計算僅在啟用忽略源開關時才會考慮漸變因子。

同樣的方法也可用于將原本無法獲取的值定義為通用圖中的變量。在本例中，我們繪制FICL操作數的值與窗函數因子的關系圖。打開一個一維通用繪圖（分析功能區...通用繪圖工具...一維通用繪圖...新建），并按如下方式定義設置。

正如預期，我們可以清楚地看到耦合效率在1.75附近出現峰值，之后效率在兩側逐漸下降。需要注意的是，漸變因子為零時，耦合效率是均勻的。顯然，均勻源光纖模式會導致耦合效率顯著降低，因為光纖耦合計算假設接收光纖模式為高斯模式。

多重結構操作數作為公差

MC操作數也可用于對沒有相應公差操作數的數值進行公差處理。TMCO公差操作數允許用戶對MCE中定義的任何值進行公差處理。我們來看一個例子。有關公差處理的更多信息，請參閱文末鏈接[1]。

打開本文下載部分提供的“Beam expander”示例文件。該系統是一個3倍激光光束擴展器，針對632.8nm的準直輸出進行了優化。假設激光腔存在一些不穩定性，可能會改變輸出波長。那么，該光束擴展器對輸入波長的靈敏度如何？

如果沒有MCE，就無法對系統波長進行公差控制。請注意，雖然存在TWAV公差操作數，但它僅用于將干涉條紋公差轉換為物理尺寸。我們可以使用WAVEMC操作數來確定性能如何隨波長變化。在MCE中定義一個WAVE操作數。

現在，通過“公差選項卡”打開“公差數據編輯器(TDE)”，并使用如下所示的設置定義一個TMCO操作數。在本例中，我們僅關注設計對波長的靈敏度。我們假設波長范圍為±50nm。

以均方根波前誤差為評價標準，采樣率為5，且不使用補償器，進行靈敏度分析。正如預期，性能發生了顯著變化。標稱設計在632.8nm波長處的波前誤差幾乎為零。在582.8nm波長處，波前誤差為0.39波長；在682.8nm波長處，波前誤差為0.26波長。

該方法也可與蒙特卡羅或逆向靈敏度分析結合使用。

多重結構操作數和求解

MC操作數的另一個重要用途是通過求解連接值。MCE擴展了可通過求解連接的值的范圍。我們再來看一個例子。

打開本文下載部分提供的示例文件“Schmidt-Cassegrain Telescope”。該文件模擬了一個帶有前置校正透鏡的雙鏡望遠鏡。在序列模式下，我們使用校正透鏡后方的獨立表面來模擬副鏡的遮擋。理想情況下，遮擋面積應與副鏡尺寸相同。我們可以手動設置，但如果計劃進行優化或公差計算，使用求解器會是更好的選擇。

在MCE中定義兩個APMX（最大孔徑）操作數，分別控制表面3和表面5上的最大孔徑。表面3具有圓形遮擋，因此最大孔徑定義了遮擋的大小。表面5具有圓形孔徑，因此最大孔徑定義了孔徑的大小。

在MCE中同時定義這兩個值，可以讓我們應用一個拾取求解器來關聯這兩個值。如下所示，對第二個操作數設置求解器。

這兩個值現在已經關聯起來，即使系統進行修改或優化，這種關聯性也不會改變。

另見：

[1]知識庫文章“如何執行序列公差分析”

https://optics.ansys.com/hc/en-us/articles/42661666289043-How-to-perform-a-sequential-tolerance-analysis

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