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這篇文章會說明如何在 MATLAB 或 Python 中以 Zemax OpticStudio 應(yīng)用程式介面 (ZOS-API)處理光線數(shù)據(jù)庫(Ray Database, ZRD)檔案，過程中我們將使用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 檔案的范例。

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 IBatchRayTrace 介面共同運(yùn)作。此外，RayTrace.dll 這個動態(tài)連結(jié)函式庫涵蓋了以下的介面，并且繼承了 ZOSAPI.Tools.RayTrace 的命名空間:

·IRayTraceDirectPolData (sequential):

在這個介面中，我們可以直接在 XYZ 座標(biāo)中完成批次的偏振光線追跡，而這也和 DDE 光線追跡指令(模式3)十分相似。此外，該介面屬于 IBatchRayTrace 介面的一種。

·IRayTraceDirectUnpolData (sequential):

在這個介面中，我們可以在 XYZ 坐標(biāo)中完成批次的非偏振光線追跡，而這與 DDE 光線追跡指令(模式1)相似。此外，該介面也同樣屬于 IBatchRayTrace 介面的一種。

·IRayTraceNormPolData (sequential):

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

·IRayTraceNormUnpolData (sequential):

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

·IZRDReader (non-sequential):

我們使用這個介面在 Matlab 中設(shè)定 RayDatabaseReader 並使其運(yùn)作，同時讀取 C#dll 中每一個區(qū)段(segment)的值。

這個 DLL 的設(shè)計是為了使光線或區(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)作的過程中不會涉及任何的計算、合并和分析。這個 DLL 的主要目的是為了減少 MATLAB 或 Python 中十分耗時的 for 回圈，將原先效率極低的程式轉(zhuǎn)為原生且編譯完成的 C# 程式碼。接著，當(dāng)原始值經(jīng)過所有回圈后，C# 程式碼會將數(shù)值回傳到 MATLAB 或 Python 進(jìn)行最后的處理。

在序列模式的介面中有兩種情況會需要 for 回圈的協(xié)助: AddRays()和ReadNextResults()，分別用來增加光線和讀取數(shù)據(jù)。為了提高效率，我們會以 DLL 達(dá)成這兩項(xiàng)任務(wù)。文章附件的其中兩個范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 (dithered rays)。根據(jù)預(yù)期達(dá)成的光線模式(若與預(yù)設(shè)模式不同的話)，我們可以在 MATLAB 中使用原生陣列索引 (native array indexing)的方式增加 DLL 中的光線，這與原本的方法是十分相似的。無論是在ReadNextResult()或 ReadNextResultFull()，最終回傳到 MATLAB 或 Python 中的結(jié)果均會與該介面最復(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應(yīng)的案例。為了提高效率，我們會試著以 MATLAB 的陣列索引(array indexing)取代 for 或 while 回圈的使用。

DLL使用范例

我們使用三個基礎(chǔ)和三個進(jìn)階范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 光線追跡的情況下使用RayTrace.dll。這些示范檔案都可以直接下載并使用，不需要對程式碼進(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)相同的資料夾中，才能確保使用時能被順利的呼叫。產(chǎn)生每個 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).

這個范例使用了 IRayTraceDirectUnpolData 介面。此外，它還同時使用了RayTrace.dll (DirectUnpol.cs) 中的 ReadDirectUnpolData 函數(shù)。范例中，系統(tǒng)追跡了特定透鏡表面的光跡圖(footprint diagram)，同時繪出系統(tǒng)的凈口徑 (Clear Semi-Diameter)和機(jī)械半直徑 (Mechanical Semi-Diameter)。

·MATLAB_BatchRayTrace_Normalized.m – (SEQ Norm).

這個范例使用了 IRayTraceNormUnpolData 介面，而該介面還包含了RayTrace.dll (NormUnpol.cs) 中的 ReadNormUnpolData 函數(shù)。范例中，系統(tǒng)以超過10,000條光線追跡一個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，且整個過程耗時不到一秒。

·MATLAB_ZRDLoaderFull.m or PythonNET_ZRDLoaderFull.py – (NSC ZRD)

這個范例使用了 IZRDReader 介面，且同時使用了RayTrace.dll (ZRDLoaderFull.cs)中的 ReadZRDData 函數(shù)。范例中，系統(tǒng)解析了 ZRD 檔案并決定了特定探測器上接收到的總能量。

進(jìn)階范例

·MATLAB_BatchRayTrace_Surface_AOI.m – (SEQ Direct).

這個范例使用了 IRayTraceDirectUnpolData 介面，且同時使用了RayTrace.dll (DirectUnpol.cs)的ReadDirectUnpolData 函數(shù)。范例中，系統(tǒng)追跡了光線網(wǎng)格投射至一個特定表面的結(jié)果。過程中使用了 LMN 方向的 cosine 向量和 Nxyz 法向量計算光線在表面上每個 XY 點(diǎn)的入射角。

·MATLAB_BatchRayTrace_Ex22_Performance_Comparison.m – (SEQ Norm).

這個范例使用了 IRayTraceNormUnpolData 介面，同時還使用了RayTrace.dll (NormUnpol.cs)的ReadNormUnpolData 函數(shù)。范例中，系統(tǒng)使用低量化誤差光線圖型(dithered ray pattern) 繪制了整個視場的點(diǎn)列圖(spot diagram)。模擬過程中，系統(tǒng)可以在一秒內(nèi)追跡10,000條光線。相同情況下，若使用原生 MATLAB 的 for 回圈，繪制961條光線將耗時超過4秒。根據(jù)電腦的性能差異，使用 DLL 最高可將運(yùn)算過程加速為原先的40倍。

·MATLAB_ZRD_Pixelated_Detector_xybin.m – (NSC ZRD).

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

疑難排解

·若是使用了范例提供的 Visual Studio 解，但卻在編譯的過程中出現(xiàn)錯誤的話，請先照著以下步驟操作以確保 ZOSAPI 和 ZOSAPI_Interfaces 的來源(Reference)是正確的。我們可以打開 Solution Explorer，并點(diǎn)選 References。假如這時 ZOSAPI 和 ZOSAPI_Interfaces 旁邊出現(xiàn)黃色的警示標(biāo)語，你將會需要進(jìn)行以下操作:

·移除現(xiàn)有的 references (滑鼠右鍵>移除(Remove))

·右鍵選取 Reference 并選擇 Add References

·點(diǎn)選 Browse 并找到 OpticStudio 的安裝資料夾

·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 Properties 接著將 Copy Local 由True 改為 False