Asphere Optimization
[1]:
import numpy as np
from optiland import analysis, optic, optimization
Define a starting lens:
[ ]:
lens = optic.Optic()
# add surfaces
lens.surfaces.add(index=0, thickness=np.inf)
lens.surfaces.add(
index=1,
thickness=7,
radius=1000,
material="N-SF11",
is_stop=True,
surface_type="even_asphere",
coefficients=[0, 0, 0],
)
lens.surfaces.add(index=2, thickness=30, radius=-1000)
lens.surfaces.add(index=3)
# set aperture
lens.set_aperture(aperture_type="EPD", value=15)
# add field
lens.fields.set_type(field_type="angle")
lens.fields.add(y=0)
# add wavelength
lens.wavelengths.add(value=0.55, is_primary=True)
# draw lens
lens.draw(num_rays=5)
Define optimization problem:
[3]:
problem = optimization.OptimizationProblem()
Add operands (targets for optimization):
[ ]:
input_data = {
"optic": lens,
"surface_number": -1,
"Hx": 0,
"Hy": 0,
"num_rays": 5,
"wavelength": 0.55,
"distribution": "hexapolar",
}
# add RMS spot size operand
problem.add_operand(
operand_type="rms_spot_size",
target=0,
weight=1,
input_data=input_data,
)
Define variables - let radius of curvature vary and the first 3 aspheric coefficients.
[5]:
problem.add_variable(lens, "radius", surface_number=1)
problem.add_variable(lens, "radius", surface_number=2)
problem.add_variable(lens, "asphere_coeff", surface_number=1, coeff_number=0)
problem.add_variable(lens, "asphere_coeff", surface_number=1, coeff_number=1)
problem.add_variable(lens, "asphere_coeff", surface_number=1, coeff_number=2)
Check initial merit function value and system properties:
[6]:
problem.info()
╒════╤════════════════════════╤═══════════════════╕
│ │ Merit Function Value │ Improvement (%) │
╞════╪════════════════════════╪═══════════════════╡
│ 0 │ 30.0924 │ 0 │
╘════╧════════════════════════╧═══════════════════╛
╒════╤════════════════╤══════════╤══════════╤═════════╤═════════╤════════════════════╕
│ │ Operand Type │ Target │ Weight │ Value │ Delta │ Contribution (%) │
╞════╪════════════════╪══════════╪══════════╪═════════╪═════════╪════════════════════╡
│ 0 │ rms spot size │ 0 │ 1 │ 5.48566 │ 5.48566 │ 100 │
╘════╧════════════════╧══════════╧══════════╧═════════╧═════════╧════════════════════╛
╒════╤═════════════════╤═══════════╤═════════╤══════════════╤══════════════╕
│ │ Variable Type │ Surface │ Value │ Min. Bound │ Max. Bound │
╞════╪═════════════════╪═══════════╪═════════╪══════════════╪══════════════╡
│ 0 │ radius │ 1 │ 1000 │ │ │
│ 1 │ radius │ 2 │ -1000 │ │ │
│ 2 │ asphere_coeff │ 1 │ 0 │ │ │
│ 3 │ asphere_coeff │ 1 │ 0 │ │ │
│ 4 │ asphere_coeff │ 1 │ 0 │ │ │
╘════╧═════════════════╧═══════════╧═════════╧══════════════╧══════════════╛
Define optimizer:
[7]:
optimizer = optimization.OptimizerGeneric(problem)
Run optimization:
[8]:
optimizer.optimize(tol=1e-6)
[8]:
message: CONVERGENCE: NORM_OF_PROJECTED_GRADIENT_<=_PGTOL
success: True
status: 0
fun: 3.304334492892647e-10
x: [-2.743e+01 2.416e+01 1.898e+02 2.174e+00 -2.770e-02]
nit: 20
jac: [-5.865e-09 3.570e-09 8.185e-08 -1.807e-07 -1.921e-07]
nfev: 150
njev: 25
hess_inv: <5x5 LbfgsInvHessProduct with dtype=float64>
Print merit function value and system properties after optimization:
[9]:
problem.info()
╒════╤════════════════════════╤═══════════════════╕
│ │ Merit Function Value │ Improvement (%) │
╞════╪════════════════════════╪═══════════════════╡
│ 0 │ 3.30432e-10 │ 100 │
╘════╧════════════════════════╧═══════════════════╛
╒════╤════════════════╤══════════╤══════════╤═════════════╤═════════════╤════════════════════╕
│ │ Operand Type │ Target │ Weight │ Value │ Delta │ Contribution (%) │
╞════╪════════════════╪══════════╪══════════╪═════════════╪═════════════╪════════════════════╡
│ 0 │ rms spot size │ 0 │ 1 │ 1.81778e-05 │ 1.81778e-05 │ 100 │
╘════╧════════════════╧══════════╧══════════╧═════════════╧═════════════╧════════════════════╛
╒════╤═════════════════╤═══════════╤═════════════════╤══════════════╤══════════════╕
│ │ Variable Type │ Surface │ Value │ Min. Bound │ Max. Bound │
╞════╪═════════════════╪═══════════╪═════════════════╪══════════════╪══════════════╡
│ 0 │ radius │ 1 │ -2642.94 │ │ │
│ 1 │ radius │ 2 │ 2515.97 │ │ │
│ 2 │ asphere_coeff │ 1 │ 0.0189832 │ │ │
│ 3 │ asphere_coeff │ 1 │ 2.17352e-06 │ │ │
│ 4 │ asphere_coeff │ 1 │ -2.76952e-10 │ │ │
╘════╧═════════════════╧═══════════╧═════════════════╧══════════════╧══════════════╛
Draw final lens:
[10]:
lens.draw(num_rays=5)
Viewing the spot diagram indicates that the spot size is indeed minimized and that the lens is diffraction limited.
[11]:
spot = analysis.SpotDiagram(lens)
spot.view()
