Ansys Zemax / SPEOS | 光源文件轉(zhuǎn)換器

本文解釋了如何在 SPEOS 與 Zemax 之間轉(zhuǎn)換二進(jìn)制光源文件。

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在本文中，為用戶(hù)提供了一組Python代碼，用于在Zemax和SPEOS之間轉(zhuǎn)換源文件。

有些光源，如 .IES 文件，可在 SPEOS 和 Zemax 中進(jìn)行載入和讀取。然而，IES 源文件只包含角數(shù)據(jù)，只有當(dāng)光學(xué)系統(tǒng)位于光源遠(yuǎn)場(chǎng)時(shí)才適用。如果我們想要在光源文件中包含位置數(shù)據(jù)，則對(duì)應(yīng)的光源文件格式在 SPEOS 和 Zemax 中是不同的。在 SPEOS 中，對(duì)應(yīng)文件為 .RAY 文件；在Zemax中，有兩種對(duì)應(yīng)文件格式，即 .DAT（單色）和 .SDF（多色）。

在第一部分中，我們描述了 Zemax 與 SPEOS 分別使用的光源文件格式。

在第二部分中，我們描述了如何使用文章中所提供的的 Python 代碼將 Zemax 光源轉(zhuǎn)換為 SPEOS 光源，所使用的示例光學(xué)文件為 rayfile_LCB_G6SP_100k_20210701_Zemax.dat。

在第三部分中，我們描述了如何使用文章中所提供的的 Python 代碼將 SPEOS 光源轉(zhuǎn)換為 Zemax 光源，所使用的示例光學(xué)文件為 rayfile_LCB_G6SP_100k_20210701_Speos.ray。

SPEOS 以及 ZEMAX 光源文件格式
在本章節(jié)中，介紹了 Zemax 和 SPEOS 的光源文件格式。但這并不是本文的主要目的，但用戶(hù)可以按照這里描述的定義創(chuàng)建自己的 SPEOS 或 Zemax 光源文件。

.RAY、.SDF 和 .DAT 的文件格式都是以二進(jìn)制形式定義的。二進(jìn)制光源文件包含一個(gè)數(shù)據(jù)頭結(jié)構(gòu)，然后是每條光線(xiàn)的數(shù)據(jù)。SPEOS 和 Zemax 光源文件包含不同的數(shù)據(jù)標(biāo)題信息，光線(xiàn)數(shù)據(jù)也將按照不同的順序定義。

1.1 SPEOS 光源文件格式

SPEOS 光源文件數(shù)據(jù)標(biāo)題結(jié)構(gòu)將包含 28 字節(jié)，即 7 個(gè)雙精度數(shù)值，分別表示如下內(nèi)容：

1：輻射功率 

2、3、4、5、6：定義光線(xiàn)文件的版本

7：光度學(xué)功率

在文件數(shù)據(jù)標(biāo)題之后定義了每條光線(xiàn)的數(shù)據(jù)，每條光線(xiàn)將包含 8 個(gè)雙精度數(shù)據(jù)：

X
Y 
Z 
L 
M 
N 
Wavelength 
Energy  
X, Y, Z 表示光線(xiàn)的位置

L, M, N 表示光線(xiàn)的方向 

Wavelength 表示光線(xiàn)的波長(zhǎng)

Energy 表示光線(xiàn)的能量，以 Watts 為單位 

 
1.2 Zemax 光源文件格式

Zemax 光源文件的格式在 Zemax 幫助手冊(cè)中的如下章節(jié)中有詳細(xì)描述：

The Setup Tab > Editors Group (Setup Tab) > Non-sequential Component Editor > Non-sequential Sources > Source File 

在本文章中，我們也將簡(jiǎn)單進(jìn)行說(shuō)明。Zemax 二進(jìn)制光源文件將具有 208 字節(jié)，其中對(duì)應(yīng)為：

 

描述部分包含 100 字節(jié)，其他數(shù)據(jù)的大小為 4 字節(jié)，請(qǐng)?jiān)谀鷦?chuàng)建自定義光源文件時(shí)對(duì)此謹(jǐn)慎。

ray_format_type 必須為 0（僅光通量格式）或 2（光譜顏色格式），不支持其他格式類(lèi)型。當(dāng)且僅當(dāng) ray_format_type 為 0 時(shí)，則 flux_type 為 0 Watts，以及 1 Lumens。對(duì)于光譜顏色格式，光通量必須以 Watts 為單位，波長(zhǎng)必須以 μm 為單位。

在數(shù)據(jù)標(biāo)題之后定義光線(xiàn)結(jié)構(gòu)，光線(xiàn)結(jié)構(gòu)格式取決于光線(xiàn)格式類(lèi)型。

以下為單色光源的光線(xiàn)格式： 

 

SPEOS 光線(xiàn)數(shù)據(jù)也相同，X、Y、Z 表示光線(xiàn)位置，L、M、N 表示光線(xiàn)方向。Zemax 光源文件中的光通量等效于 SPEOS 中的能量數(shù)據(jù)。 

以下為復(fù)色光源的光線(xiàn)格式： 

 

1.3 Speos 與 Zemax 光譜文件格式

有時(shí)我們可以找到與光源文件一起提供的光譜文件，所以我們添加了這一部分，以便光譜文件可以得到轉(zhuǎn)換和應(yīng)用。兩個(gè)光譜文件都是文本格式定義的。

SPEOS 光譜文件以擴(kuò)展名 *.spectrum 結(jié)束，將包含以下信息：數(shù)據(jù)標(biāo)題、名稱(chēng)、波長(zhǎng)總數(shù)和它們的權(quán)重、具體波長(zhǎng)和權(quán)重。

 

Zemax 光譜文件以擴(kuò)展名 *.SPCD 結(jié)束，并且放置在 \Sources\Spectrum 文件夾中。文件將用于描述光源顏色模擬的用戶(hù)自定義光譜。文件格式為以下形式的成對(duì)數(shù)據(jù)：

# comment
wavelength1 weight1
wavelength2 weight2
etc…

波長(zhǎng)數(shù)據(jù)以 μm 為單位，并且需要以升序的形式排列。權(quán)重則表示為相對(duì)功率單位的無(wú)量綱形式。請(qǐng)注意定義的數(shù)據(jù)最少為 3 對(duì)，最多為 200 對(duì)。

將 Zemax 文件轉(zhuǎn)換至 SPEOS 
本章節(jié)解釋了如何使用 Python 代碼將 Zemax 光源文件轉(zhuǎn)換為 SPEOS 光源文件。

2.1 執(zhí)行 Python 代碼 

打開(kāi) Python IDLE 程序，注意本文中使用的 Python 版本為 3.9.2。 

 

點(diǎn)擊 文件 > 打開(kāi)： 

 

選擇本文附件 ZIP 中名為 Convert_ZEMAX_to_SPEOS.py 的文件。在執(zhí)行文件之前，請(qǐng)確保您已經(jīng)將光源文件的路徑進(jìn)行了對(duì)應(yīng)修改：

 

如需要，修改 theZemaxSpectrumPath 至電腦內(nèi)光源文件對(duì)應(yīng)的路徑：

如果您傾向于在圖形用戶(hù)界面中選擇文件，您可以將后續(xù)三行的代碼取消 “注釋” 設(shè)置： 

 

后續(xù)，點(diǎn)擊運(yùn)行模塊： 

 

在文章附件中，我們提供了后續(xù)使用的光源文件，用于介紹如何使用對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)換器，文件為：

rayfile_LCB_G6SP_100K_20210701_Zemax.dat. 

注意，通過(guò) .DAT 的文件尾綴可以了解到該文件為單色光源文件，我們也支持 .SDF 文件的轉(zhuǎn)換。

 

在轉(zhuǎn)換過(guò)程中，將輸出一些重要的信息。轉(zhuǎn)換后得到的文件將保存至原光源文件相同的路徑當(dāng)中。

 

2.2 Zemax 中的角向和位置分布結(jié)果 

為了驗(yàn)證光源文件轉(zhuǎn)換前后的一致性，我們將光源文件載入了 Zemax OpticStudio 后進(jìn)行了光線(xiàn)追跡。

光源文件位于：\Document\Zemax\Objects\Sources\Source 文件夾，如此可以直接從光源文件列表中進(jìn)行選擇。

下圖為光源文件和光源類(lèi)型的選擇： 

 

我們創(chuàng)建了一個(gè)極探測(cè)器 (Detector Polar) 用于觀(guān)察角向分布情況。最大的角度為 180 度，并且徑向和角向像素?cái)?shù)量設(shè)置為 180。

同樣也創(chuàng)建了一個(gè)矩形探測(cè)器 (Detector Rectangle)，參數(shù)為 Z = 1mm、X Half Width = Y Half Width = 10 mm 以及 #X Pixel = #Y Pixel = 100。也將使得我們可以在 1mm 之外查看光源發(fā)出的光斑情況。

 

以下為光源的角向和位置分布： 

 

 
2.3 SPEOS 中的角向和位置分布結(jié)果

以下為 SPEOS 中的探測(cè)器參數(shù)： 

 

以下為在 SPEOS 中查看到的光源角向和位置分布情況：

 

將 SPEOS 光源文件轉(zhuǎn)換至 Zemax
本章節(jié)解釋了如何使用 Python 代碼將 SPEOS 光源文件轉(zhuǎn)換為 Zemax 光源文件。由于 SPEOS 光源文件將包含波長(zhǎng)信息，轉(zhuǎn)換得到的 Zemax 文件將始終為 .SDF 文件。 

我們將再次使用 IDLE Shell 3.9.2 運(yùn)行對(duì)應(yīng)代碼。使用的 Python 代碼文件名為：

Convert_SPEOS_to_ZEMAX.py 

 

將文件路徑修改為電腦中存放以下光源文件的路徑：

rayfile_LCB_G6SP_100k_20210701_Speos.RAY 

 

如需要，修改 SpeoSpectrumPath 至電腦中光源文件所處的路徑：

 

點(diǎn)擊執(zhí)行模塊： 

 

如果在 Python 窗口中未出現(xiàn)任何警告或錯(cuò)誤，通常情況下表示轉(zhuǎn)換成功：

 

3.2 SPEOS 中的角向和位置分布結(jié)果

我們將使用與上述示例相同的探測(cè)器參數(shù)執(zhí)行模擬，將得到與我們先前轉(zhuǎn)換完全相同的角向與位置分布結(jié)果：

 

 

 
3.3 Zemax 中的角向以及位置分布結(jié)果 

生成的光源文件將位于：\Objects\Sources\Source 文件夾中，并且可以選擇成為光源文件。

 

轉(zhuǎn)換得到的光譜文件為：LCB_G6SP_20210701_spectrum.spcd，需要被放置在 \Objects\Sources\Spectrum 文件夾，并且可以選擇作為光源文件：

 

將使用與上述示例相同的探測(cè)器設(shè)置： 

 

以下為最終得到的角向和位置分布結(jié)果： 

 

3.4 其他注解

請(qǐng)注意 SPEOS 并不是唯一可以生成 .RAY 光源文件的軟件。

如果在轉(zhuǎn)換過(guò)程中收到 “Warning: File size is not 28 + 8 * 4 * N ? Please verify if it is a SPEOS .ray file.” 的錯(cuò)誤提示，表示轉(zhuǎn)換得到的光源文件中將丟失部分光線(xiàn)數(shù)據(jù)。