作者:Yuan Chen, Michael Cheng, Qiang Wang
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简介
在本文中,为用户提供了一组Python代码,用于在Zemax和SPEOS之间转换源文件。
有些光源,如 .IES 文件,可在 SPEOS 和 Zemax 中进行载入和读取。然而,IES 源文件只包含角数据,只有当光学系统位于光源远场时才适用。如果我们想要在光源文件中包含位置数据,则对应的光源文件格式在 SPEOS 和 Zemax 中是不同的。在 SPEOS 中,对应文件为 .RAY 文件;在Zemax中,有两种对应文件格式,即 .DAT(单色)和 .SDF(多色)。
在第一部分中,我们描述了 Zemax 与 SPEOS 分别使用的光源文件格式。
在第二部分中,我们描述了如何使用文章中所提供的的 Python 代码将 Zemax 光源转换为 SPEOS 光源,所使用的示例光学文件为 rayfile_LCB_G6SP_100k_20210701_Zemax.dat。
在第三部分中,我们描述了如何使用文章中所提供的的 Python 代码将 SPEOS 光源转换为 Zemax 光源,所使用的示例光学文件为 rayfile_LCB_G6SP_100k_20210701_Speos.ray。
如果您对于上述转换器有任何疑问,欢迎通过 support@zemax.com 邮箱或 https://www.zemax.com/ 网站直接联系 Zemax 技术支持团队,或者通过 speos_support@ansys.com 邮箱联系 SPEOS 团队。
SPEOS 以及 ZEMAX 光源文件格式
在本章节中,介绍了 Zemax 和 SPEOS 的光源文件格式。但这并不是本文的主要目的,但用户可以按照这里描述的定义创建自己的 SPEOS 或 Zemax 光源文件。
.RAY、.SDF 和 .DAT 的文件格式都是以二进制形式定义的。二进制光源文件包含一个数据头结构,然后是每条光线的数据。SPEOS 和 Zemax 光源文件包含不同的数据标题信息,光线数据也将按照不同的顺序定义。
1.1 SPEOS 光源文件格式
SPEOS 光源文件数据标题结构将包含 28 字节,即 7 个双精度数值,分别表示如下内容:
1:辐射功率
2、3、4、5、6:定义光线文件的版本
7:光度学功率
在文件数据标题之后定义了每条光线的数据,每条光线将包含 8 个双精度数据:
- X
- Y
- Z
- L
- M
- N
- Wavelength
- Energy
X, Y, Z 表示光线的位置
L, M, N 表示光线的方向
Wavelength 表示光线的波长
Energy 表示光线的能量,以 Watts 为单位
1.2 Zemax 光源文件格式
Zemax 光源文件的格式在 Zemax 帮助手册中的如下章节中有详细描述:
The Setup Tab > Editors Group (Setup Tab) > Non-sequential Component Editor > Non-sequential Sources > Source File
在本文章中,我们也将简单进行说明。Zemax 二进制光源文件将具有 208 字节,其中对应为:
描述部分包含 100 字节,其他数据的大小为 4 字节,请在您创建自定义光源文件时对此谨慎。
ray_format_type 必须为 0(仅光通量格式)或 2(光谱颜色格式),不支持其他格式类型。当且仅当 ray_format_type 为 0 时,则 flux_type 为 0 Watts,以及 1 Lumens。对于光谱颜色格式,光通量必须以 Watts 为单位,波长必须以 μm 为单位。
在数据标题之后定义光线结构,光线结构格式取决于光线格式类型。
以下为单色光源的光线格式:
SPEOS 光线数据也相同,X、Y、Z 表示光线位置,L、M、N 表示光线方向。Zemax 光源文件中的光通量等效于 SPEOS 中的能量数据。
以下为复色光源的光线格式:
1.3 Speos 与 Zemax 光谱文件格式
有时我们可以找到与光源文件一起提供的光谱文件,所以我们添加了这一部分,以便光谱文件可以得到转换和应用。两个光谱文件都是文本格式定义的。
SPEOS 光谱文件以扩展名 *.spectrum 结束,将包含以下信息:数据标题、名称、波长总数和它们的权重、具体波长和权重。
Zemax 光谱文件以扩展名 *.SPCD 结束,并且放置在 <objects>\Sources\Spectrum 文件夹中。文件将用于描述光源颜色模拟的用户自定义光谱。文件格式为以下形式的成对数据:
# comment <optional> wavelength1 weight1 wavelength2 weight2 etc...
波长数据以 μm 为单位,并且需要以升序的形式排列。权重则表示为相对功率单位的无量纲形式。请注意定义的数据最少为 3 对,最多为 200 对。
将 Zemax 文件转换至 SPEOS
本章节解释了如何使用 Python 代码将 Zemax 光源文件转换为 SPEOS 光源文件。
2.1 执行 Python 代码
打开 Python IDLE 程序,注意本文中使用的 Python 版本为 3.9.2。
点击 文件 > 打开:
选择本文附件 ZIP 中名为 Convert_ZEMAX_to_SPEOS.py 的文件。在执行文件之前,请确保您已经将光源文件的路径进行了对应修改:
如需要,修改 theZemaxSpectrumPath 至电脑内光源文件对应的路径:
如果您倾向于在图形用户界面中选择文件,您可以将后续三行的代码取消 “注释” 设置:
后续,点击运行模块:
在文章附件中,我们提供了后续使用的光源文件,用于介绍如何使用对应转换器,文件为:
rayfile_LCB_G6SP_100K_20210701_Zemax.dat.
注意,通过 .DAT 的文件尾缀可以了解到该文件为单色光源文件,我们也支持 .SDF 文件的转换。
在转换过程中,将输出一些重要的信息。转换后得到的文件将保存至原光源文件相同的路径当中。
2.2 Zemax 中的角向和位置分布结果
为了验证光源文件转换前后的一致性,我们将光源文件载入了 Zemax OpticStudio 后进行了光线追迹。
光源文件位于:\Document\Zemax\Objects\Sources\Source 文件夹,如此可以直接从光源文件列表中进行选择。
下图为光源文件和光源类型的选择:
我们创建了一个极探测器 (Detector Polar) 用于观察角向分布情况。最大的角度为 180 度,并且径向和角向像素数量设置为 180。
同样也创建了一个矩形探测器 (Detector Rectangle),参数为 Z = 1mm、X Half Width = Y Half Width = 10 mm 以及 #X Pixel = #Y Pixel = 100。也将使得我们可以在 1mm 之外查看光源发出的光斑情况。
以下为光源的角向和位置分布:
2.3 SPEOS 中的角向和位置分布结果
以下为 SPEOS 中的探测器参数:
以下为在 SPEOS 中查看到的光源角向和位置分布情况:
将 SPEOS 光源文件转换至 Zemax
本章节解释了如何使用 Python 代码将 SPEOS 光源文件转换为 Zemax 光源文件。由于 SPEOS 光源文件将包含波长信息,转换得到的 Zemax 文件将始终为 .SDF 文件。
3.1 执行 Python 代码
我们将再次使用 IDLE Shell 3.9.2 运行对应代码。使用的 Python 代码文件名为:
Convert_SPEOS_to_ZEMAX.py
将文件路径修改为电脑中存放以下光源文件的路径:
rayfile_LCB_G6SP_100k_20210701_Speos.RAY
如需要,修改 SpeoSpectrumPath 至电脑中光源文件所处的路径:
点击执行模块:
如果在 Python 窗口中未出现任何警告或错误,通常情况下表示转换成功:
3.2 SPEOS 中的角向和位置分布结果
我们将使用与上述示例相同的探测器参数执行模拟,将得到与我们先前转换完全相同的角向与位置分布结果:
3.3 Zemax 中的角向以及位置分布结果
生成的光源文件将位于:<data>\Objects\Sources\Source 文件夹中,并且可以选择成为光源文件。
转换得到的光谱文件为:LCB_G6SP_20210701_spectrum.spcd,需要被放置在 <data>\Objects\Sources\Spectrum 文件夹,并且可以选择作为光源文件:
将使用与上述示例相同的探测器设置:
以下为最终得到的角向和位置分布结果:
3.4 其他注解
请注意 SPEOS 并不是唯一可以生成 .RAY 光源文件的软件。
如果在转换过程中收到 “Warning: File size is not 28 + 8 * 4 * N ? Please verify if it is a SPEOS .ray file.” 的错误提示,表示转换得到的光源文件中将丢失部分光线数据。
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