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這篇文章會說明如何在 MATLAB 或 Python 中以 Zemax OpticStudio 應用程式界面 (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 結合了 ZRDLoader.dll 和 ReadNextSegmentFull，并在序列模式中與4個 IBatchRayTrace 界面共同運作。此外，RayTrace.dll 這個動態(tài)連結函式庫涵蓋了以下的界面，并且繼承了 ZOSAPI.Tools.RayTrace 的命名空間:

1.IRayTraceDirectPolData (sequential):
在這個界面中，我們可以直接在 XYZ 坐標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，該界面屬于 IBatchRayTrace 界面的一種。

2.IRayTraceDirectUnpolData (sequential):
在這個界面中，我們可以在 XYZ 坐標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，該界面也同樣屬于 IBatchRayTrace 界面的一種。

3.IRayTraceNormPolData (sequential):
在這個界面中，我們可以使用歸一化光瞳坐標(normalized pupil coordinate)進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，這界面也同樣屬于 IBatchRayTrace 界面的一種。

4.IRayTraceNormUnpolData (sequential):
在這個界面中，我們可以使用歸一化光瞳坐標進行批次非偏振光線追跡，這與 DDE 光線追跡指令(模式0)相似。

5.IZRDReader (non-sequential):
我們使用這個界面在Matlab中設定RayDatabaseReader并使其運作，同時讀取 C#dll 中每一個區(qū)段（segment）的值。

這個 DLL 的設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循環(huán)，將原先效率極低的程式轉為原生且編譯完成的C#代碼。接著，當原始值經(jīng)過所有循環(huán)后，C#代碼會將數(shù)值回傳到MATLAB或Python進行最后的處理。

在序列模式的界面中有兩種情況會需要for循環(huán)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達成這兩項任務。文章附件的其中兩個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（dithered rays）。根據(jù)預期達成的光線模式（若與預設模式不同的話），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，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中的結果均會與該界面最復雜輸出（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 循環(huán)的使用。

DLL 使用范例

我們使用三個基礎和三個進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。這些示范附件都可以直接下載并使用，不需要對程式碼進行任何更改。需要注意的是，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 界面。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)和機械半直徑 (Mechanical Semi-Diameter)。

· MATLAB_BatchRayTrace_Normalized.m – (SEQ Norm).
這個范例使用了 IRayTraceNormUnpolData 界面，而該界面還包含了RayTrace.dll (NormUnpol.cs) 中的 ReadNormUnpolData 函數(shù)。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果。設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 界面，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。

進階范例

· MATLAB_BatchRayTrace_Surface_AOI.m – (SEQ Direct).
這個范例使用了 IRayTraceDirectUnpolData 界面，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 點的入射角。

· MATLAB_BatchRayTrace_Ex22_Performance_Comparison.m – (SEQ Norm).
這個范例使用了 IRayTraceNormUnpolData 界面，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 循環(huán)，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界面，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，并點選 References。假如這時 ZOSAPI 和 ZOSAPI_Interfaces 旁邊出現(xiàn)黃色的警示標語，你將會需要進行以下操作：

1.移除現(xiàn)有的 references (鼠標右鍵>移除(Remove))

2.右鍵選取 Reference 并選擇 Add References

3.點選 Browse 并找到 OpticStudio 的安裝資料夾

4.以快捷鍵 Shift+Click 選擇 ZOSAPI 和 ZOSAPI_Interfaces，接著點選 Add

5.點選 OK 加入新的解

6.選取所有的 references，打開 Properties 接著將 Copy Local 由True 改為 False