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

下載
聯(lián)系工作人員獲取附件
簡介
在本文中，為用戶提供了一組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 中進行載入和讀取。然而，IES 源文件只包含角數(shù)據(jù)，只有當光學系統(tǒng)位于光源遠場時才適用。如果我們想要在光源文件中包含位置數(shù)據(jù)，則對應的光源文件格式在 SPEOS 和 Zemax 中是不同的。在 SPEOS 中，對應文件為 .RAY 文件；在Zemax中，有兩種對應文件格式，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制形式定義的。二進制光源文件包含一個數(shù)據(jù)頭結(jié)構(gòu)，然后是每條光線的數(shù)據(jù)。SPEOS 和 Zemax 光源文件包含不同的數(shù)據(jù)標題信息，光線數(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)標題結(jié)構(gòu)將包含 28 字節(jié)，即 7 個雙精度數(shù)值，分別表示如下內(nèi)容：

1：輻射功率 

2、3、4、5、6：定義光線文件的版本

7：光度學功率

在文件數(shù)據(jù)標題之后定義了每條光線的數(shù)據(jù)，每條光線將包含 8 個雙精度數(shù)據(jù)：

X
Y 
Z 
L 
M 
N 
Wavelength 
Energy  
X, Y, Z 表示光線的位置

L, M, N 表示光線的方向 

Wavelength 表示光線的波長

Energy 表示光線的能量，以 Watts 為單位 

 
1.2 Zemax 光源文件格式

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

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

在本文章中，我們也將簡單進行說明。Zemax 二進制光源文件將具有 208 字節(jié)，其中對應為：

 

描述部分包含 100 字節(jié)，其他數(shù)據(jù)的大小為 4 字節(jié)，請在您創(chuàng)建自定義光源文件時對此謹慎。

ray_format_type 必須為 0（僅光通量格式）或 2（光譜顏色格式），不支持其他格式類型。當且僅當 ray_format_type 為 0 時，則 flux_type 為 0 Watts，以及 1 Lumens。對于光譜顏色格式，光通量必須以 Watts 為單位，波長必須以 μm 為單位。

在數(shù)據(jù)標題之后定義光線結(jié)構(gòu)，光線結(jié)構(gòu)格式取決于光線格式類型。

以下為單色光源的光線格式： 

 

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

以下為復色光源的光線格式： 

 

1.3 Speos 與 Zemax 光譜文件格式

有時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)換和應用。兩個光譜文件都是文本格式定義的。

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

 

Zemax 光譜文件以擴展名 *.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自定義光譜。文件格式為以下形式的成對數(shù)據(jù)：

# comment
wavelength1 weight1
wavelength2 weight2
etc…

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

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 Python IDLE 程序，注意本文中使用的 Python 版本為 3.9.2。 

 

點擊 文件 > 打開： 

 

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，請確保您已經(jīng)將光源文件的路徑進行了對應修改：

 

如需要，修改 theZemaxSpectrumPath 至電腦內(nèi)光源文件對應的路徑：

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

 

后續(xù)，點擊運行模塊： 

 

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應轉(zhuǎn)換器，文件為：

rayfile_LCB_G6SP_100K_20210701_Zemax.dat. 

注意，通過 .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中。

 

2.2 Zemax 中的角向和位置分布結(jié)果 

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

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行選擇。

下圖為光源文件和光源類型的選擇： 

 

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

同樣也創(chuàng)建了一個矩形探測器 (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 運行對應代碼。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：

 

點擊執(zhí)行模塊： 

 

如果在 Python 窗口中未出現(xiàn)任何警告或錯誤，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)換過程中收到 “Warning: File size is not 28 + 8 * 4 * N ? Please verify if it is a SPEOS .ray file.” 的錯誤提示，表示轉(zhuǎn)換得到的光源文件中將丟失部分光線數(shù)據(jù)。