S-Plane 教程（A 部分）：Cooke triplet 的自动化参数扫描

1. 简介

在本教程中，我们演示如何在 OghmaNano 中使用参数扫描工具完成 镜头优化和光学设计的实用工作流程。以经典的 Cooke triplet 镜头系统为对象，我们系统地改变关键光学参数，例如 表面曲率和元件厚度，并分析它们对成像性能的影响。 通过大批量的光线追迹仿真来探索设计空间，并使用包括 RMS 光斑半径、光斑尺寸与质心、 光斑长轴与短轴半径、光斑椭圆率与方向角，以及包围能量半径（EE50、EE80、 EE90）等指标来量化性能，同时结合 3D 光线追迹视图中的光线路径进行可视化检查。该方法 为光学系统优化、灵敏度分析和公差研究提供了可复现的框架，并且可直接应用于镜头设计的早期阶段以及 现实光学权衡的快速评估。

2. 在 OghmaNano 中启动 Cooke triplet 仿真

在本教程中，我们将从启动一个预先配置好的 Cooke triplet 镜头仿真开始。 首先从 Windows 开始菜单启动 OghmaNano。在主窗口中，点击 New simulation 按钮以打开仿真库，如 图 2a–b 所示。 在器件类别列表中，双击 Ray tracing。当 S-plane 光学示例出现后，找到 Cooke triplet 示例并双击，将其作为一个可直接运行的镜头系统打开。

3. 打开 Cooke triplet 仿真并在 S-plane 编辑器中检查

保存 Cooke triplet 仿真后，OghmaNano 主窗口将打开，其外观应类似于 ??。 在 3D 视图中，你可以看到经典的 triplet 布局：绿色光源、红色第一镜头元件、 蓝色光阑、橙色第二镜头元件、黄色第三镜头元件， 以及紫色探测器平面。

接下来，点击左侧工具栏中的 S-plane 按钮以打开 S-plane 编辑器，如 ?? 所示。 该表列出了镜头元件及其参数（材料、表面半径、厚度、直径等）。 与 OghmaNano 中的任何其他仿真一样，你可以通过按下 Run（播放）按钮（或 F9）来运行此模型， 并在 Output 选项卡中查看结果；不过，运行单个仿真并不是本教程的重点。接下来的步骤中， 你将使用此编辑器来选择要扫描的参数。

4. 自动化

4.1 打开扫描窗口

在本教程中，我们将使用 Automation 工具来运行系统性的参数扫描。 这些工具可通过主窗口中的 Automation 功能区访问 （见 ??）。 点击 Parameter scan 按钮以打开参数扫描窗口 （见 ??）。 默认情况下，你会看到一个名为 new 的条目；双击它会打开一个单独的 参数扫描编辑器 （见 ??）。

参数扫描工具在手册中的 parameter scan 页面有更详细的说明。 就本教程而言，只需知道参数扫描窗口允许你使用 New 按钮定义和管理多个独立扫描， 每个扫描都对应于对参数空间的一种不同的自动化探索。

在最后一个图中，你可以看到已经配置好了一个扫描。 变量名 Splane.object.lens1 (b).thickness 表明我们正在扫描 第一个镜头元件后表面的厚度，扫描值以米为单位显式给出。

4.2 编辑扫描

在这个任务中，我们将添加一条额外的扫描行，以便对多个镜头元件的参数进行扫描。 点击参数扫描编辑器中的 plus 按钮来创建新的扫描行，如 ?? 所示。 这会在表格中新增一行，其中包含 Parameter to change、Values 和 Operation 列。 我们将使用第二行来定义一个附加扫描，从而在同一次自动化运行中改变多个镜头参数。

在编辑前，务必确认选中了正确的扫描行，这一点非常重要。 点击新行使其高亮，然后点击 three dots 按钮来选择参数。 这会打开参数选择对话框，如 ?? 所示。 依次展开 object → Lens 2 (b)，然后选择 Thickness，它对应于 第二个镜头元件后表面的厚度。选中后，点击 OK。

完成两条扫描行的配置后，参数扫描窗口应类似于 ?? 中所示的最终配置。 此时，扫描已经设置为在自动化运行过程中同时改变两个不同镜头元件的厚度。

当参数扫描已按 ?? 所示完成配置后， 点击 Run 按钮。这将执行扫描所定义的全部仿真。 在本例中，OghmaNano 将遍历扫描参数的所有组合：对于第一条扫描行中的每个取值， 都会执行第二条扫描行中定义的全部取值。结果是对该光学系统所有参数排列的完整探索。

当扫描完成后，切换到 Output 选项卡，如 ?? 所示。 输出以目录树形式组织，用于反映被扫描的参数。 在顶层，标记为 1.1e-2、1.2e-2、 1.3e-2 和 1e-2 的文件夹对应于第一个被扫描参数的取值。 进入其中一个目录后，会看到对应于第二个扫描参数取值的子目录，如 ?? 所示。

每个叶子目录都代表一次单独的仿真运行，相当于一次手动执行的单个仿真。 在这些目录中，你将看到诸如 device.csv 之类的文件， 其中包含光学系统的三角剖分 3D 几何，以及 ray_trace 输出文件，其中保存了该特定参数组合下的追迹光线。 这些结果可以直接可视化，如 ?? 和 ?? 所示。 这使你能够检查和分析对应于扫描参数空间中特定点的单个仿真行为。

4.3 Multiplot 文件

在主扫描输出目录中（??）你会注意到几个带有 multiple-curves 的彩色图标。 这些代表一种特殊类型的扫描生成文件：它们不是单个数据文件，而是指向整个参数扫描树中生成数据的链接集合。 例如，all_triangles.csv 链接到为所有扫描点生成的每个三角剖分网格， 而 ray_trace 则链接到扫描过程中生成的所有光线追迹输出。

如果你双击 all_triangles.csv，将打开网格查看器 （见 ??）。 使用窗口底部的滑块，你可以逐步浏览已生成的各个仿真。 当你移动滑块时，镜头几何会更新以反映当前的参数组合，活动仿真的路径会显示在窗口底部。 在所示示例中，该路径表示参数组合 1.2e-2 / 1.4e-2，对应于两个被扫描的镜头厚度值（单位为米）。

同样，双击 ray_trace 会打开光线追迹查看器 （见 ??）。 该查看器通常提供两个滑块：上方滑块用于在扫描树中的不同仿真之间切换， 下方滑块用于按波长切换。 这使得你可以同时检查光线路径在参数空间和波长上的演化。 第二个示例见 ??， 展示了在不同波长范围下查看同一扫描的结果。 如果一开始没有显示任何内容，你可能需要点击绘图表中的 plus 按钮 来添加要绘制的文件。

作为这些扫描元文件的进一步示例，进入 detector0 输出文件夹并双击它 （见 ??）。 你会再次看到对应不同探测器输出的 multiple-curves 项。如果你双击 detector_efficiency0.csv，OghmaNano 将打开 ?? 中显示的图。 该图显示系统随波长变化所传输的光量（以百分比表示），每条曲线对应于 参数扫描中探索的一种镜头几何。 请注意，此示例仅使用了三个光学网格点，因此每条曲线只包含三个波长采样点。

在本节中，我们已经看到 OghmaNano 如何使用 multiplot 元文件来组织参数扫描结果，这为探索大规模仿真集合提供了一种结构化方法， 同时避免了数据重复。通过使用少量交互式查看器逐步浏览网格、光线追迹和探测器输出， 可以高效地检查几何、波长和光学性能如何在参数空间中演化。该方法使大规模扫描研究 变得可操作，从而能够对多种设计变体的光学行为进行定性检查和定量比较。

5. 优化器

在上一节中，我们使用参数扫描工具通过穷举方式生成了大量仿真， 并通过查看光线路径、几何结构和探测器输出对其进行直接检查。 这种方法对建立物理直觉非常有用，但它也会生成大量文件、 占用大量磁盘空间，并拖慢整体仿真工作流程。 在许多情况下，你实际上更需要的是在参数空间中进行快速扫描， 重点关注定量性能指标，而不是完整输出数据。

为此，我们使用优化器。返回参数扫描编辑器 （见 ??） 并点击 Fast optimizer 按钮。 该模式会禁止生成详细输出文件（光线追迹、网格等），同时仍然 运行底层仿真并收集统计指标。 重要的是，先前扫描生成的任何输出文件都不会被改动，仍可继续检查； 优化器只是避免创建新的这类文件。

启用快速优化器后，重新运行仿真。完成后，打开 Output 选项卡 （见 ??）。 你会看到一个名为 optimizer_output.csv 的新文件。 与完整扫描不同，不会创建新的目录树：优化器的主要结果就是这个 单一 CSV 文件，其中包含聚合后的性能数据。

双击 optimizer_output.csv，并在你偏好的电子表格程序中打开它 （Excel、LibreOffice，或任何能读取 CSV 文件的工具）。其内容如 ?? 所示。 前几列列出了被扫描的参数（在本例中为 S-plane 镜头厚度）， 后面则是从每次仿真中提取的一系列定量性能指标。

这些指标包括光斑位置在 x 和 y 方向上的标准差、 光斑半径的标准差（r_std）、光斑分布的长轴和短轴 （sigma_major、sigma_minor）、光斑方向角 （spot_theta）、包围能量半径（例如 EE50、EE80、EE90），以及相关优度指标。 这些量共同为扫描参数空间中每个点的光学性能提供了紧凑的定量摘要。

由于数据采用表格形式，你可以轻松地对其进行排序或筛选，以识别最优设计。 例如，在 ?? 中， 电子表格已按 r_std（光斑半径的标准差）排序。 从中我们可以立即看出哪一组镜头厚度组合产生了最小光斑： 在本例中，第一镜头厚度为 0.013，第二镜头厚度为 0.0106。

6. 检查优化器结果

现在我们已经运行了系统参数扫描和优化器，可以更详细地检查结果。 优化器使我们能够快速识别参数空间中有希望的区域， 而完整扫描则让我们能够以更具物理意义和更直观的方式检查对应的仿真。

作为第一步，我们可以返回光线追迹输出，并找到与优化器识别出的最小光斑解对应的仿真。 这如 ?? 所示。 使用光线追迹查看器中的选择条，你可以在仿真树中移动， 直到到达产生最小光斑的参数组合。

然后我们可以进一步深入仿真树，以比较不同参数选择下光学系统的行为。 例如， ?? 显示了一个相对较小、聚焦良好的光斑，对应于一个接近最优的设计；而 ?? 则显示了一个更大、较不理想的光斑，它由扫描参数空间中的另一个点产生。

综合来看，这展示了一个典型工作流程：首先运行优化器以快速探索参数空间并识别有前景的区域， 然后关闭优化器并在感兴趣区域执行完整扫描。 这样你就可以生成详细输出——光线追迹、几何结构和探测器图像——并对其进行物理检查， 以确认该解的行为符合预期并满足你的设计目标。

7. 使用替代光束形状以加快仿真速度

在前几节中，我们使用了 square 光束来运行参数扫描和优化器。 虽然这是一个合理的默认选项，但方形光束包含大量光线，可能会显著 降低仿真速度。在许多情况下，你并不需要完整的方形光束分布来理解系统行为， 更简单的光束形状就已足够。

要更改光束形状，请在 3D 视图中右击光源，如 ?? 所示， 然后选择 Edit object。在光源编辑器中，切换到 Configure 选项卡 （见 ??）， 并将 Beam shape 从 Square 改为 Star。 得到的光线分布如 ?? 所示。

如果你现在重新运行优化器，会注意到仿真完成得更快。 这是因为星形光束使用的光线数量远少于完整的方形光束，同时仍能有效地 对光学系统进行采样。 还可以选择使用 Cross 光束形状，这对于沿两个主轴 独立检查像散非常有用，并且能进一步降低计算成本。 因此，这些替代光束形状是加快探索性扫描和 优化运行的实用方法。