這篇文章會(huì)說(shuō)明如何在MATLAB或Python中以Zemax OpticStudio應(yīng)用程序界面（ZOS-API）處理光線(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)（Ray Database，ZRD）檔案，過(guò)程中我們將使用ZRDLoader.dll。本文提供了在Matlab中批次處理序列光線(xiàn)追跡（一般、歸一化、偏振或非偏振），以及在Matlab和Python中使用方法ReadNextSegmentFull（）批次處理非序列ZRD檔案的示例。

什么是RayTrace.dll?

RayTrace.dll結(jié)合了ZRDLoader.dll和ReadNextSegmentFull，并在序列模式中與4個(gè)IBatchRayTrace界面共同運(yùn)作。此外，RayTrace.dll這個(gè)動(dòng)態(tài)連接函式庫(kù)涵蓋了以下的界面，并且繼承了ZOSAPI.Tools.RayTrace的命名空間：

IRayTraceDirectPolData （sequential）：在這個(gè)界面中，我們可以直接在XYZ坐標(biāo)中完成批次的偏振光線(xiàn)追跡，而這也和DDE光線(xiàn)追跡指令（模式3）十分相似。此外，該界面屬于IBatchRayTrace界面的一種。

IRayTraceDirectUnpolData（sequential）：在這個(gè)界面中，我們可以在XYZ坐標(biāo)中完成批次的非偏振光線(xiàn)追跡，而這與DDE光線(xiàn)追跡指令（模式1）相似。此外，該界面也同樣屬于IBatchRayTrace界面的一種。

IRayTraceNormPolData （sequential）：在這個(gè)界面中，我們可以使用歸一化光瞳坐標(biāo)（normalized pupil coordinate）進(jìn)行批次偏振光線(xiàn)追跡，這與DDE光線(xiàn)追跡指令（模式2）相似。此外，該界面也同樣屬于IBatchRayTrace界面的一種。

IRayTraceNormUnpolData （sequential）：在這個(gè)界面中，我們可以使用歸一化光瞳坐標(biāo)進(jìn)行批次非偏振光線(xiàn)追跡，這與DDE光線(xiàn)追跡指令（模式0）相似。

IZRDReader （non-sequential）：我們使用這個(gè)界面在Matlab中設(shè)定RayDatabaseReader并使其運(yùn)作，同時(shí)讀取C#dll中每一個(gè)區(qū)段（segment）的值。

這個(gè)DLL的設(shè)計(jì)是為了使光線(xiàn)或區(qū)段的原始值（raw value）可以作為宣告物件的屬性，而被傳遞到MATLAB或Python，因此DLL運(yùn)作的過(guò)程中不會(huì)涉及任何的計(jì)算、合并和分析。這個(gè)DLL的主要目的是為了減少M(fèi)ATLAB或Python中十分耗時(shí)的for循環(huán)，將原先效率極低的程序轉(zhuǎn)為原生且編譯完成的C#代碼。接著，當(dāng)原始值經(jīng)過(guò)所有循環(huán)后，C#代碼會(huì)將數(shù)值回傳到MATLAB或Python進(jìn)行最后的處理。

在序列模式的界面中有兩種情況會(huì)需要for循環(huán)的協(xié)助：AddRays（）和ReadNextResults（），分別用來(lái)增加光線(xiàn)和讀取數(shù)據(jù)。為了提高效率，我們會(huì)以DLL達(dá)成這兩項(xiàng)任務(wù)。文章附檔的其中兩個(gè)示例示范了如何在序列模式中高效率的產(chǎn)生方形網(wǎng)格或低量化誤差的光線(xiàn)（dithered rays）。根據(jù)預(yù)期達(dá)成的光線(xiàn)模式（若與預(yù)設(shè)模式不同的話(huà)），我們可以在MATLAB中使用原生數(shù)組索引（native array indexing）的方式增加DLL中的光線(xiàn)，這與原本的方法是十分相似的。無(wú)論是在ReadNextResult（）或ReadNextResultFull（），最終回傳到MATLAB或Python中的結(jié)果均會(huì)與該界面最復(fù)雜輸出（verbose output）有著相同的物件屬性，包含了正確的相位和相對(duì)應(yīng)的案例。為了提高效率，我們會(huì)試著以MATLAB的數(shù)組索引（array indexing）取代for或while循環(huán)的使用。

DLL使用范例

我們使用三個(gè)基礎(chǔ)和三個(gè)進(jìn)階示例示范如何在一般序列模式（sequential direct）、歸一化序列模式（sequential normalized）和非序列ZRD光線(xiàn)追跡的情況下使用RayTrace.dll。這些示例檔案都可以直接下載并使用，不需要對(duì)代碼進(jìn)行任何更改。要注意的是，RayTrace.dll必須被存放在和其他MATLAB或Python腳本（script）相同的文件夾中，才能確保使用時(shí)能被順利的呼叫。產(chǎn)生每個(gè)DLL所使用的C#原始碼以及Visual Studio的解都可以在下方的文章中找到。

基本范例

MATLAB_BatchRayTrace_Direct.m–（SEQ Direct）.這個(gè)示例使用了IRayTraceDirectUnpolData界面。此外，它還同時(shí)使用了RayTrace.dll （DirectUnpol.cs）中的ReadDirectUnpolData函數(shù)。示例中，系統(tǒng)追跡了特定透鏡表面的光跡圖（footprint diagram），同時(shí)繪出系統(tǒng)的凈口徑（Clear Semi-Diameter）和機(jī)械半直徑（Mechanical Semi-Diameter）。

MATLAB_BatchRayTrace_Normalized.m–（SEQ Norm）.這個(gè)示例使用了IRayTraceNormUnpolData界面，而該界面還包含了RayTrace.dll （NormUnpol.cs）中的ReadNormUnpolData函數(shù)。示例中，系統(tǒng)以超過(guò)10,000條光線(xiàn)追跡一個(gè)方形圖案投射至像面的結(jié)果。設(shè)定上只使用了單一視場(chǎng)，且整個(gè)過(guò)程耗時(shí)不到一秒。

MATLAB_ZRDLoaderFull.m or PythonNET_ZRDLoaderFull.py–（NSC ZRD）這個(gè)示例使用了IZRDReader界面，且同時(shí)使用了RayTrace.dll （ZRDLoaderFull.cs）中的ReadZRDData函數(shù)。示例中，系統(tǒng)解析了ZRD檔案并決定了特定探測(cè)器上接收到的總能量。

進(jìn)階范例

MATLAB_BatchRayTrace_Surface_AOI.m–（SEQ Direct）.這個(gè)示例使用了IRayTraceDirectUnpolData界面，且同時(shí)使用了RayTrace.dll （DirectUnpol.cs）的ReadDirectUnpolData函數(shù)。示例中，系統(tǒng)追跡了光線(xiàn)網(wǎng)格投射至一個(gè)特定表面的結(jié)果。過(guò)程中使用了LMN方向的cosine向量和Nxyz法向量計(jì)算光線(xiàn)在表面上每個(gè)XY點(diǎn)的入射角。

MATLAB_BatchRayTrace_Ex22_Performance_Comparison.m–（SEQ Norm）.這個(gè)示例使用了IRayTraceNormUnpolData界面，同時(shí)還使用了RayTrace.dll （NormUnpol.cs）的ReadNormUnpolData函數(shù)。示例中，系統(tǒng)使用低量化誤差光線(xiàn)圖型（dithered ray pattern）繪制了整個(gè)視場(chǎng)的點(diǎn)列圖（spot diagram）。模擬過(guò)程中，系統(tǒng)可以在一秒內(nèi)追跡10,000條光線(xiàn)。相同情況下，若使用原生MATLAB的for循環(huán)，繪制961條光線(xiàn)將耗時(shí)超過(guò)4秒。根據(jù)電腦的性能差異，使用DLL最高可將運(yùn)算過(guò)程加速為原先的40倍。

MATLAB_ZRD_Pixelated_Detector_xybin.m–（NSC ZRD）.這個(gè)示例使用了IZRDReader界面，同時(shí)也使用了RayTrace.dll （ZRDLoaderFull.cs）的ReadZRDData函數(shù)。示例中的系統(tǒng)有矩形光源、矩形探測(cè)器，以及一個(gè)由“LETTERF.BMP”產(chǎn)生的幻燈片（Slide）物件，最后在探測(cè)器上顯現(xiàn)出圖型“F”。接著，我們使用ZRD檔案中的“xybin”將每個(gè)像素的光通量加總，重新在ZRD檔案中產(chǎn)生一個(gè)新的探測(cè)器結(jié)果。這樣的做法可使我們免于使用探測(cè)器查看器（Detector Viewer）的分析功能，直接在MATLAB中看到結(jié)果。

疑難排解

若是使用了示例提供的Visual Studio解，但卻在編譯的過(guò)程中出現(xiàn)錯(cuò)誤的話(huà)，請(qǐng)先照著以下步驟操作以確保ZOSAPI 和ZOSAPI_Interfaces的來(lái)源（Reference）是正確的。我們可以打開(kāi)Solution Explorer，并點(diǎn)選References。假如這時(shí)ZOSAPI 和ZOSAPI_Interfaces旁邊出現(xiàn)黃色的警示標(biāo)語(yǔ)，你將會(huì)需要進(jìn)行以下操作：

移除現(xiàn)有的references（鼠標(biāo)右鍵>移除（Remove））
右鍵提取Reference并選擇Add References
點(diǎn)選Browse并找到OpticStudio的安裝文件夾
以快捷鍵Shift+Click選擇ZOSAPI和ZOSAPI_Interfaces，接著點(diǎn)選Add
點(diǎn)選OK加入新的解
選取所有的references，打開(kāi)Properties接著將 Copy Local 由True 改為 False