概要

這篇文章講解了：

?如何在Zemax OpticStudio中打開或動(dòng)態(tài)編輯SolidWorks?，Autodesk Inventor?以及PTC Creo Parametric?零件。

文中示例文件可通過以下鏈接下載：

簡介

照明設(shè)計(jì)，因其復(fù)雜建模無法用數(shù)學(xué)公式直接表達(dá)的特性，推進(jìn)了光線追跡軟件的發(fā)展。大多數(shù)軟件允許使用者進(jìn)行基本形狀（例如球體、立方體等）或普通設(shè)計(jì)（例如非球面、CPC等）的簡單建模，一旦所需物體無法通過簡單的物體結(jié)合來構(gòu)建，在軟件中就難以實(shí)現(xiàn)建模，尤其是需要使用參數(shù)來控制物體形狀的情況下。此時(shí)，即使使用CAD文件（IGS、STP、SAT或其他格式）進(jìn)行文件轉(zhuǎn)換，也無法達(dá)到所需要的靈活性。

但在旗艦版的Zemax OpticStudio中，可以在非序列模式下打開SolidWorks、Autodesk Inventor以及PTC Creo Parametric的零件文件。這些原生CAD零件可以很便捷地通過相應(yīng)的非序列模式物體，結(jié)合至非序列元件編輯器內(nèi)：

圖1. 動(dòng)態(tài)鏈接至CAD零件的非序列物體

任何明確定義了尺寸的物體都可以在非序列元件編輯器中顯示其尺寸且被參數(shù)化控制。更重要的是，這類零件如同其他任意OpticStudio中的物體一樣，可分配膜層或散射屬性、模擬黑體發(fā)射器、復(fù)制構(gòu)成矩陣等。于是，光學(xué)及照明工程師可以使用同一文件與機(jī)械工程師進(jìn)行合作，而不需要進(jìn)行繁瑣的文件轉(zhuǎn)換。下面內(nèi)容將以SolidWorks為例，詳細(xì)介紹動(dòng)態(tài)CAD功能是如何工作的。

安裝CAD軟件

若想使用Zemax OpticStudio中的動(dòng)態(tài)CAD功能，第一要求就是安裝好合適的CAD軟件：

?需要安裝SolidWorks? 2017*，以使用動(dòng)態(tài)鏈接SolidWorks零件文件 (*.SLDPRT) 的“CAD Part:SolidWorks”物體。

?需要安裝Autodesk Inventor? 2018*，以使用動(dòng)態(tài)連接Autodesk Inventor零件文件 ( *.IPT) 的“CAD Part: Autodesk Inventor”物體。

?需要安裝PTC Creo Parametric? 4.0*，以使用動(dòng)態(tài)連接Creo Parametric零件文件 ( *.PRT ) 的“CAD Part: Creo Parametric”物體。

*請(qǐng)注意，OpticStudio技術(shù)支持團(tuán)隊(duì)將不提供SolidWorks、Autodesk以及Creo的安裝幫助及技術(shù)支持。

無論是使用CAD Part: Creo Parametric物體還是CAD Part: SolidWorks物體，相應(yīng)的程序都應(yīng)該在加載零件至Zemax OpticStudio之前打開，并在Zemax OpticStudio運(yùn)行期間保持打開狀態(tài)，此舉可以確保Zemax OpticStudio與CAD軟件之間通信保持時(shí)刻暢通。不同的是，使用CAD Part: Autodesk Inventor物體時(shí)，不需要在Zemax OpticStudio加載零件前打開Autodesk Inventor。此時(shí)Zemax OpticStudio將自動(dòng)在后臺(tái)打開Autodesk Inventor，程序不出現(xiàn)在用戶的顯示器范圍內(nèi)，但可以通過任務(wù)管理器查詢到該進(jìn)程。應(yīng)保持該軟件在Zemax OpticStudio運(yùn)行時(shí)一直運(yùn)行，以確保OpticStudio與Autodesk Inventor之間的通訊保持時(shí)刻暢通。上述所有的情況內(nèi)，保持Zemax OpticStudio與CAD軟件之間的穩(wěn)定通訊是在Zemax OpticStudio中修改零件物體的先決條件。

SolidWorks示例

下述示例使用了SolidWorks零件文件，該零件文件來自于CAD發(fā)布網(wǎng)站GrabCAD。下一步我們要把下圖中的臺(tái)燈參數(shù)化建模至Zemax OpticStudio中：

圖2. GrabCAD中的展示臺(tái)燈渲染圖

當(dāng)文件下載好后，可在SolidWorks內(nèi)進(jìn)行探索。通過FeatureManager Design Tree我們可以了解到構(gòu)建這個(gè)臺(tái)燈模型的特征和尺寸：

圖3. SolidWorks中的臺(tái)燈特征

點(diǎn)擊FeatureManager Design Tree內(nèi)的特征選項(xiàng)，可以在窗口內(nèi)查看其相關(guān)尺寸。下圖所展示的是構(gòu)建Sketch 1所使用的尺寸：

圖4. 臺(tái)燈尺寸

臺(tái)燈的尺寸在下方列出以作為參考：

?D1 =100 mm

?D2 = 10 mm

?D3 = 70 degrees

?D4 = 125 mm

?D5 = 50 mm

?D6 = 120 mm

?D7 = 70 degrees

一旦該*.SLDPRT文件在Zemax OpticStudio中打開，Sketch 1內(nèi)的尺寸即可在非序列元件編輯器內(nèi)獲取及修改。OpticStudio將默認(rèn)使用Dx@Sketch1來標(biāo)注這些尺寸，其中的x是代表Sketch 1中各類尺寸的整數(shù)。同樣的，Revolve 2的尺寸（唯一尺寸為360度）將被標(biāo)記為D1@Revolve2。

需要注意的是，這些特征和尺寸的名稱都可以在SolidWorks內(nèi)進(jìn)行修改，使得我們可以在Zemax OpticStudio中更直觀的查看與修改參數(shù)。可通過右鍵點(diǎn)擊FeatureManager Design Tree中的特征名稱，并在菜單中選擇“Feature Properties”來實(shí)現(xiàn)此操作。

圖5. 右鍵點(diǎn)擊Sketch 1

圖6. Sketch 1的特征屬性

同樣也可在Sketch 1上完成尺寸命名設(shè)定。在Design Tree內(nèi)選擇Sketch 1，如之前圖示。右鍵點(diǎn)擊布局圖中的一個(gè)尺寸，在右鍵菜單中選擇“Configure Dimension”選項(xiàng)，再右鍵點(diǎn)擊單元格名字（如下方示例中的D4）來對(duì)尺寸進(jìn)行重命名。

圖7. 右鍵點(diǎn)擊SolidWorks布局圖中的D4 ( 125 mm )

圖8. 右鍵點(diǎn)擊D4單元格進(jìn)行重命名

上述方法只作為演示，我們?nèi)栽诖耸纠惺褂媚J(rèn)的特征和尺寸名稱。

下一步，保存并關(guān)閉*.SLDPRT文件，SolidWorks在后臺(tái)保持打開和運(yùn)行。

圖9. SolidWorks保持打開，但不打開任何零件

Zemax OpticStudio動(dòng)態(tài)CAD鏈接

為了在Zemax OpticStudio中打開此SolidWorks零件，*.SLDPRT文件必須存放在恰當(dāng)?shù)腪emax用戶數(shù)據(jù)文件夾下。在用戶數(shù)據(jù)文件夾<…\Documents\Zemax\Objects>下有三個(gè)分別的文件夾用于存放SolidWorks、Autodesk Inventor以及PTC Creo Parametric文件，如下圖所示：

圖10. 存放PTC Creo Parametric、Autodesk Inventor以及SolidWorks文件的Zemax用戶數(shù)據(jù)文件夾

在Zemax OpticStudio中可以對(duì)這些文件夾位置進(jìn)行用戶化設(shè)置，位于Setup tab > Project Preferences > Folders：

圖11. 在Zemax OpticStudio內(nèi)的Project Preferences中設(shè)置用戶數(shù)據(jù)文件夾

一旦*.SLDPRT文件保存至“SolidWorks Files”文件夾，即可使用Zemax OpticStudio中的非序列元件編輯器打開此文件。實(shí)際操作為：建立新的非序列系統(tǒng)，在非序列元件編輯器中展開Object Properties菜單，并在Type下拉菜單內(nèi)選擇“CAD Part: SolidWorks?”作為物體類型：

圖12. 在非序列元件編輯器內(nèi)選擇CAD Part: SolidWorks

選擇使用的*.SLDPRT文件：

圖13. 選擇Lamp.SLDPRT

點(diǎn)擊OK按鈕，再打開NSC Shaded Model來查看該零件。該元件與在SolidWorks內(nèi)看到的一模一樣。

圖14. NSC Shaded Model內(nèi)的Lamp.SLDPRT

在此示例中，SolidWorks零件文件的單位與Zemax OpticStudio中默認(rèn)的鏡頭單位一樣為毫米。當(dāng)打開Autodesk Inventor、PTC Creo Parametric或SolidWorks文件的時(shí)候，Zemax OpticStudio將自動(dòng)確定其單位是否與當(dāng)前鏡頭單位設(shè)置匹配。若單位之間不匹配，將發(fā)出警告。為了避免潛在的困惑和錯(cuò)誤，強(qiáng)烈建議用戶將Zemax OpticStudio內(nèi)的鏡頭單位與CAD軟件內(nèi)的系統(tǒng)單位設(shè)為一致。

在Zemax OpticStudio中，可為CAD物體設(shè)置光學(xué)屬性，例如膜層、材料以及散射函數(shù)。與此同時(shí)，零件的尺寸可以選擇在非序列元件編輯器的參數(shù)欄下被直接顯示。打開Object Properties的CAD 設(shè)置，可以看到*.SLDPRT文件內(nèi)的Smart Dimensions和結(jié)構(gòu) ( Configurations ) 定義列表。SolidWorks中的可結(jié)構(gòu)化功能 ( Configuration Capability ) 與Zemax OpticStudio中的多重結(jié)構(gòu)功能 ( Multiple Configuration Capability ) 十分相似。該功能允許用戶給一個(gè)文件中的同一零件定義多種不同的形態(tài)。在SolidWorks與Zemax OpticStudio內(nèi)的功能可以通過SWCN這一多重結(jié)構(gòu)操作數(shù)鏈接起來，用于控制SolidWorks中的Configuration設(shè)置。

默認(rèn)的，零件的尺寸不會(huì)在非序列元件編輯器中的參數(shù)欄內(nèi)顯示，但可以在Part Dimension Name組合框內(nèi)點(diǎn)擊Expose按鈕，將尺寸顯示。需要注意的是，對(duì)于Inventor和Creo零件而言也可以使用同樣的方法將尺寸展示出來。

圖15. 非序列元件編輯器內(nèi)的CAD設(shè)置

在此示例內(nèi)，點(diǎn)擊Expose All按鈕，使得所有的尺寸都可以在非序列元件編輯器內(nèi)動(dòng)態(tài)地修改。

圖16. 在非序列元件編輯器中展示CAD零件尺寸

可嘗試修改其中的幾個(gè)參數(shù)，更新NSC Shaded Model以查看這些改變。可參考之前圖4內(nèi)SolidWorks布局圖中的尺寸標(biāo)注。

圖17. 在Zemax OpticStudio中修改Sketch 1的尺寸。將D2從10 mm改為15 mm，D7從70度改為80度。

儲(chǔ)存修改好的文件

在Zemax OpticStudio對(duì)CAD物體做出的任何改動(dòng)都可用物體原有文件格式保存起來。在此示例中，我們可以將修改后的零件文件以*.SLDPRT的格式保存。對(duì)于Inventor與Creo物體則使用*.IPT或*.PRT文件保存。實(shí)際操作為：在非序列元件編輯器的工具欄內(nèi)，找到CAD工具并展開，在展開菜單內(nèi)選擇“Save Modified Part”：

圖18. 非序列元件編輯器工具欄內(nèi)的CAD工具

可將修改后的物體保存為新的文件，或使用同樣的文件命名用以覆蓋原有的CAD物體。需要注意的是，將物體作為新CAD文件保存時(shí)不會(huì)自動(dòng)替換Zemax OpticStudio中當(dāng)前使用的CAD文件。如果需要更換當(dāng)前使用的CAD文件，返回Object Properties下的Type設(shè)置內(nèi)，在Data File下拉菜單內(nèi)選擇新創(chuàng)建的CAD文件即可。

除此之外，修改后的零件尺寸或是Zemax OpticStudio中設(shè)置的光學(xué)屬性（例如膜層或材料）也可在原生的CAD文件中被保存下來。參考之前的圖18以及“Save CAD Assembly/Part Properties”選項(xiàng)。在SolidWorks之中，光學(xué)屬性將被保存至File > Properties菜單內(nèi)的Configuration Specific選項(xiàng)卡下。在Autodesk Inventor之中，光學(xué)屬性將被保存至iProperties對(duì)話框的Custom選項(xiàng)卡下。在PTC Creo Parametric之中，光學(xué)屬性將被保存為Annotations Notes，可在零件或裝配體的Model Tree下找到（只要Model Tree Filters 菜單下的Display Annotation被勾選）。在Autodesk Inventor和SolidWorks中，光學(xué)屬性的名稱以“OpticStudio”開頭。但在Creo Parametric中Annotations Note將以字母“Z”開頭（此時(shí)完整的屬性在Note的內(nèi)容中展示，而不在Note的命名中展示）。

在CAD軟件中這些存儲(chǔ)信息對(duì)軟件本身而言是沒有意義的，僅可作為參考。然而，當(dāng)這一文件后續(xù)被讀取進(jìn)其他OpticStudio設(shè)計(jì)中時(shí)，Zemax OpticStudio可以讀取這些屬性信息，并給新的OpticStudio設(shè)計(jì)物體分配光學(xué)屬性。

下圖展示了OpticStudio中的修改過后的SolidWorks零件。此SolidWorks零件含有MIRROR材料，且散射配置文件被分配至臺(tái)燈的內(nèi)表面。點(diǎn)光源被列陣至臺(tái)燈內(nèi)部，用來模擬放置白光LED，并用一個(gè)Detector Color來顯示True Color的照度分布 ( Irradiance Distribution ) 。

圖19. 當(dāng)SolidWorks零件的一些表面被配置了光學(xué)屬性之后，在NSC Shaded Model內(nèi)的Detector Color上可展示光線追跡數(shù)據(jù)

總結(jié)

動(dòng)態(tài)CAD鏈接功能可將SolidWorks *.SLDPRT文件、Autodesk Inventor *.IPT文件以及PTC Creo Parametric *.PRT文件整合進(jìn)Zemax OpticStudio的非序列光學(xué)系統(tǒng)內(nèi)。Zemax OpticStudio與軟件間的動(dòng)態(tài)鏈接可以參數(shù)化修改這些零件的尺寸，比靜態(tài)的CAD交換文件更加實(shí)用。并且，此功能使得光學(xué)工程師和機(jī)械工程師之間的合作不再需要來回轉(zhuǎn)換文檔，極大地提高了合作效率。