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[技术文章] zemax与matlab混合编程仿真-使用ZOS-API

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    2024-11-7 08:24
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    发表于 2018-5-12 16:26 | 显示全部楼层 |阅读模式
    本帖最后由 tinyheaven 于 2018-5-12 16:31 编辑

    目的:提供一个范例。通过MATLAB,使用ZOS-API执行特定操作。
    注:在Python中的类似范例,可以点击http://customers.zemax.com/os/resources/learn/knowledgebase/zosapi-using-python
    原链接:http://customers.zemax.com/os/resources/learn/knowledgebase/zosapi-using-matlab?lang=en-US
    内容
    1.单光线序列追迹
    2.创建NSC(非序列模式)并插入物体
    3.在序列模式中改变变量
    4.在序列模式中求解
    5.插入操作数(索引到10个小数点)
    6.使用Filter String(过滤器字符串),运行NSC(非序列模式)追迹
    7.从一个ZRD文档中读取数据
    8.批量光线(Batch Ray)序列追迹

    作者:Michael Humphreys  发布时间:09/20/2016
    应用:zemax,zemax-api.net,zemax编程

    正文:有关ZOS-API的介绍,请在尝试运行这些代码之前,通过浏览以下资源以获取信息(必要的预备知识)。
    Article: ZOS-API.NET: An Overview
    Article: How to build and optimize a singlet using ZOS-API with Python
    Article: How to create a User Analysis using ZOS-API
    Webinar: Matlab & ZOS-API.NET

    ZOS-API Matlab用户应该忽略一些内部函数:
    AddChild
    Equals
    GetHashCode
    RemoveChild
    GetLifetimeService*
    RunInternalCommand
    ToString
    CreateObjRef*
    GetType
    Disconnect*
    InitializeLifetimeService*
    标星号的方法会显示很多次,如果这些函数不被正确调用,可能会导致严重的运行问题。

    1.序列光线追迹
    下面代码将执行序列光线追迹,并将结果输出到output_file.txt。 目前,该API不支持详细的分析结果,因此结果对象将为空。
    1. % Single Ray Trace
    2. TheAnalyses  = TheSystem.Analyses;
    3. newWin = TheAnalyses.New_Analysis(ZOSAPI.Analysis.AnalysisIDM.RayTrace);   
    4. newWin_Settings = newWin.GetSettings();
    5. newWin_Settings.Hx = 0;
    6. newWin_Settings.Hy = 1;
    7. newWin_Settings.Px = 0;
    8. newWin_Settings.Py = 1;
    9. newWin_Settings.Wavelength.SetWavelengthNumber(2);
    10. newWin_Settings.Field.UseAllFields();
    11. newWin_Settings.Type = ZOSAPI.Analysis.Settings.Aberrations.RayTraceType.DirectionCosines;
    12. newWin.ApplyAndWaitForCompletion();
    复制代码
    1. % Get and Save the results
    2. newWin_Results = newWin.GetResults();
    3. newWin_Results.GetTextFile('c:\temp\output_file.txt');
    复制代码

    2.创建NSC(非序列模式)并插入物体
    下面代码在Matlab中在非序列模式中创建一个新文件。 样板代码仅用.PrimarySystem,但通过使用此默认序列/非序列模式进行初始化,用户将无法修改正确的编辑器(不管模式是哪种,.LDE和.NCE仍然可用)。
    1. % Initializes new NSC system, inserts an object, changes an object type, and saves system
    2. % Initializes into NSC Mode
    3. TheSystem = TheApplication.CreateNewSystem(ZOSAPI.SystemType.NonSequential);
    4. TheApplication.ProgramDir

    5. % Creates new file
    6. TheSystem.New(false);

    7. % Non-sequential component editor & changing object
    8. TheNCE = TheSystem.NCE;
    9. Object_1 = TheNCE.InsertNewObjectAt(1);
    10. Object_2 = TheNCE.GetObjectAt(1);
    11. oType_1 = Object_1.GetObjectTypeSettings(ZOSAPI.Editors.NCE.ObjectType.StandardLens);
    12. Object_1.ChangeType(oType_1);

    13. % Saving System
    14. TheSystem.SaveAs('c:\temp\test_file.zmx');
    复制代码

    3.在序列模式中改变变量
    下面的代码在Matlab中插入一个新的曲面,更改曲面类型,并分别将材质和参数1列设置为字符串变量和双变量。
    1. % Inserts new lens, changes surface type & changes parameter 1 value
    2. TheLDE.InsertNewSurfaceAt(1);
    3. Surface_1 = TheLDE.GetSurfaceAt(1);
    4. sT=Surface_1.GetSurfaceTypeSettings(ZOSAPI.Editors.LDE.SurfaceType.EvenAspheric);
    5. Surface_1.ChangeType(sT);
    6. colVal = Surface_1.GetSurfaceCell(ZOSAPI.Editors.LDE.SurfaceColumn.Material).Col;
    7. Surface_1.GetCellAt(colVal).Value = 'SF2';
    8. colVal = Surface_1.GetSurfaceCell(ZOSAPI.Editors.LDE.SurfaceColumn.Par1).Col;
    9. % can also use .IntegerValue for integers
    10. Surface_1.GetCellAt(colVal).DoubleValue = 0.1;
    复制代码

    4.在序列模式中求解
    有些属性在Matlab中使用无效字符,被硬编码(hardcoded)到ZOS-API中,例如使用下划线开始属性名称。 例如,在单元格上设置F /#曲率求解记录为使用_S_FNumber作为属性,但这对于Matlab来说是无效的语法。 要列出给定对象的所有属性,只需在最后,不包含分号情况下,打印出对象,确定属性Matlab特定属性名称,并像通常使用ZOS-API文档一样使用它。
    1. % creates the LDE
    2. TheLDE = TheSystem.LDE;
    3. Surface_3 = TheLDE.InsertNewSurfaceAt(3);

    4. % lists the properties of the CreateSolveType method
    5. Solver = Surface_3.RadiusCell.CreateSolveType(ZOSAPI.Editors.SolveType.FNumber)
    复制代码

    完整的F数解决方案将如下所示:
    1. % creates the LDE
    2. TheLDE = TheSystem.LDE;
    3. Surface_3 = TheLDE.InsertNewSurfaceAt(3);

    4. % lists the properties of the CreateSolveType method
    5. Solver = Surface_3.RadiusCell.CreateSolveType(ZOSAPI.Editors.SolveType.FNumber);
    6. Solver.S_FNumber_.FNumber = 10;
    7. Surface_3.RadiusCell.SetSolveData(Solver);
    复制代码

    5.插入操作数(索引到10个小数点)
    在LDE中对玻璃进行建模时,如果使用TheLDE.GetSurfaceAt(1).Material属性,LDE将始终为索引返回2个小数位,为阿贝数返回1个小数位。 为了看到更多小数位,必须使用Merit Function来获取值。
    1. % Set up primary optical system
    2. TheSystem = TheApplication.CreateNewSystem(ZOSAPI.SystemType.Sequential);
    3. surface = 1;

    4. % creates new file
    5. TheSystem.New(false);
    6. TheLDE = TheSystem.LDE;

    7. % sets surface 1 to N-BK7 and then changes this to a model material
    8. s1 = TheLDE.GetSurfaceAt(surface);
    9. s1.Material = 'N-BK7';
    10. s1.MaterialCell.CreateSolveType(ZOSAPI.Editors.SolveType.MaterialModel);

    11. % get value directly from LDE (only shows 2 sig figs)
    12. TheLDE = TheSystem.LDE;
    13. TheLDE.GetSurfaceAt(surface).Material

    14. % get value from merit function (shows double precision)
    15. TheMFE = TheSystem.MFE;
    16. mfo_1 = TheMFE.InsertNewOperandAt(1);
    17. mfo_1.ChangeType(ZOSAPI.Editors.MFE.MeritOperandType.INDX);
    18. mfo_1.GetCellAt(2).IntegerValue = surface;  % surface
    19. mfo_1.GetCellAt(3).IntegerValue = 1;        % wavelength

    20. % abbe number by using a boundary operand (independent of wavelength)
    21. mfo_2 = TheMFE.InsertNewOperandAt(2);
    22. mfo_2.ChangeType(ZOSAPI.Editors.MFE.MeritOperandType.MXAB);
    23. mfo_2.GetCellAt(2).IntegerValue = surface;
    24. mfo_2.GetCellAt(3).IntegerValue = surface;

    25. % updates the merit function and gets the values for index and abbe
    26. TheMFE.CalculateMeritFunction();
    27. index_1 = mfo_1.ValueCell.Value
    28. abbe_1 = mfo_2.ValueCell.Value
    复制代码

    6.使用Filter String(过滤器字符串),运行NSC(非序列模式)追迹
    这允许用户设置非序列追迹,将过滤器字符串(Filter String)应用于ZRD文件,然后提取检测器( Detector Viewer)的文本结果。 您可以将property.Filter应用于NSCRayTrace或newDetector_settings属性。 此外,由于OpticStudio在镜头文件所在的当前目录中查找以保存和打开ray数据库,因此ZRD文件的文件位置必须是单独的。 请注意,ZOS-API尚不支持图像输出,因此如果您需要探测器的二维图,则需要在Matlab中重新创建。
    1. zrd_file = 'temp4.ZRD'; % this needs to be a RELATIVE path

    2. % Creat ray trace & modify settings
    3. NSCRayTrace = TheSystem.Tools.OpenNSCRayTrace();
    4. NSCRayTrace.SplitNSCRays = true;
    5. NSCRayTrace.ScatterNSCRays = false;
    6. NSCRayTrace.UsePolarization = true;
    7. NSCRayTrace.IgnoreErrors = true;
    8. NSCRayTrace.SaveRays = true;
    9. NSCRayTrace.Filter = 'H2';
    10. NSCRayTrace.SaveRaysFile = zrd_file;

    11. % Run ray trace
    12. NSCRayTrace.RunAndWaitForCompletion();
    13. NSCRayTrace.Close();

    14. % initializes Detector Viewer, saves the ZRD file & applies a Filter
    15. TheAnalyses = TheSystem.Analyses;
    16. newDetector = TheAnalyses.New_Analysis(ZOSAPI.Analysis.AnalysisIDM.DetectorViewer);
    17. newDetector_settings = newDetector.GetSettings();
    18. newDetector_settings.RayDatabaseFilename = zrd;
    19. newDetector.ApplyAndWaitForCompletion();

    20. % saves the Detector Viewer results
    21. newDetector_results = newDetector.GetResults();
    22. newDetector_results.GetTextFile('c:\temp\detector_viewer.txt');
    复制代码

    7.从一个ZRD文档中读取数据
    这允许用户打开任何ZRD文件并提取您将以非序列模式从Ray Database Viewer中获取的相同信息。 请注意,Matlab不像编译代码那样快速读取像ZRD这样的大文件,所以Matlab比OpticStudio处理ZRD要花费更长的时间(以1-2个数量级)。 在编译的API代码中实现此解决方案(例如使用C#/ C ++语言)将会提高性能。
    1. % Set up primary optical system
    2. TheSystem = TheApplication.CreateNewSystem(ZOSAPI.SystemType.NonSequential);
    3. TheAnalyses  = TheSystem.Analyses;

    4. % loads and runs ZRD ray database
    5. zrdFile = 'C:\Temp\nsc.ZRD';
    6. zrd = TheSystem.Tools.OpenRayDatabaseReader();
    7. zrd.ZRDFile = zrdFile;
    8. zrd.RunAndWaitForCompletion();
    9. zrd_results = zrd.GetResults();

    10. % reads data from ZRD file
    11. [success,ray_num,wave,wlum,segs] = zrd_results.ReadNextResult();
    12. while success > 0
    13.     fprintf('Ray %i, Wave_Number %i, Wavelength %d, Segs %i, success %d \n',...
    14.         ray_num,wave,wlum,segs, success);
    15.     [success,segLevel,segPar,hitObj,HitFace,insideOf,rayStatus,x,y,z,l,m,n,...
    16.         exr,exi,eyr,eyi,ezr,ezi,intensity,pathLength] = zrd_results.ReadNextSegment();
    17.     while success > 0
    18.         fprintf('    Segment: %+e, x: %+e, y: %+e, z: %+e, l: %+e, m: %+e, n: %+e \n',...
    19.             segLevel,x,y,z,l,m,n);
    20.         [success,segLevel,segPar,hitObj,HitFace,insideOf,rayStatus,x,y,z,l,m,n,...
    21.             exr,exi,eyr,eyi,ezr,ezi,intensity,pathLength] = zrd_results.ReadNextSegment();
    22.     end
    23.     [success,ray_num,wave,wlum,segs] = zrd_results.ReadNextResult();
    24. end
    复制代码

    8.批量光线(Batch Ray)序列追迹
    批量光线追迹允许用户通过系统将[Hx,Hy,Px,Py]定义的光线网格追踪到给定的平面。 可以从光线追踪中提取XYZ截距,LMN方向余弦,表面法向量,OPD和强度。 这些数据可以直接从API中提取,而无需将数据写入磁盘。 对于多个曲面,光线追迹应放置在FOR循环中。
    1. % Set up Batch Ray Trace
    2. raytrace = TheSystem.Tools.OpenBatchRayTrace();
    3. nsur = TheSystem.LDE.NumberOfSurfaces - 1;
    4. max_rays = 2; % number of rays to be traced minus 1 (will always trace hy=0 and hy=1)
    5. normUnPolData = raytrace.CreateNormUnpol(max_rays + 1,ZOSAPI.Tools.RayTrace.RaysType.Real,nsur);
    6. normUnPolData.ClearData();

    7. % Adding Rays to Batch, varying normalised object height hy
    8. waveNumber=2; hx = 0; px = 0; py = 0;
    9. hy_ary = [0:(1 / max_rays):1];
    10. for i = 1:max_rays+1
    11.     normUnPolData.AddRay(waveNumber, hx, hy_ary(:,i), px, py, ...
    12.         ZOSAPI.Tools.RayTrace.OPDMode.CurrentAndChief);
    13. end

    14. % Run Batch Ray Trace
    15. raytrace.RunAndWaitForCompletion();

    16. % Read and display results
    17. normUnPolData.StartReadingResults();
    18. fprintf('All results use hx=%4.2f, px=%4.2f, py=%4.2f\n', hx, px, py);
    19. for i= 1:max_rays+1
    20.     [success, rayNumber, errCode, vigCode, x, y, z, l, m, n, l2, m2, n2,...
    21.         opd, intensity] = normUnPolData.ReadNextResult();
    22.     if success == 1
    23.         fprintf('Ray Number %i, hy=%4.2f, Error Code %i, Vignette Code %i\n', ...
    24.             rayNumber, hy_ary(:,i), errCode, vigCode);
    25.         if errCode == 0
    26.             fprintf('    x %5.2f, y %5.2f, z %5.2f, l %5.2f, m %5.2f, n %5.2f, ',...
    27.                 x, y, z, l, m, n);
    28.             fprintf('l2 %5.2f, m2 %5.2f, n2 %5.2f, opd %5.2f, intensity %5.2f\n', ...
    29.                 l2, m2, n2, opd, intensity);
    30.         end
    31.     else
    32.         fprintf('Ray trace for %i unsuccessful', i)
    33.     end
    34. end
    复制代码





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     楼主| 发表于 2018-5-12 16:33 | 显示全部楼层
    先占个坑,后期有空运行一下再总结。

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    灌水,请看社区指南,累计三次将自动禁言

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    发表于 2018-5-13 13:34 | 显示全部楼层
    用MATLAB来编程处理zemax里面的数据可以做到zemax宏做不到的事情吗,或者有什么优点呢?现在用过的就是matlab曲线拟合zemax里面的数据,而zemax做不到。自己可能也接触的比较少。
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    发表于 2018-7-13 15:27 | 显示全部楼层
    你好!请问zemax大量光线追迹支持模式1吗?相当于getTraceDirect,设置起始坐标,方向余弦等。因为我看到的资料都是模式0的。而且Matlab-zemax工具箱里也只有模式0的参数设置函数。
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     楼主| 发表于 2018-7-14 09:48 | 显示全部楼层
    雪坼寒宵 发表于 2018-7-13 15:27
    你好!请问zemax大量光线追迹支持模式1吗?相当于getTraceDirect,设置起始坐标,方向余弦等。因为我看到的 ...

    不好意思,我只是负责翻译的。具体的还没有研究过。
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     楼主| 发表于 2018-7-14 09:49 | 显示全部楼层
    qq305042523 发表于 2018-5-13 13:34
    用MATLAB来编程处理zemax里面的数据可以做到zemax宏做不到的事情吗,或者有什么优点呢?现在用过的就是matl ...

    不好意思,我只是负责翻译的。具体的还没有研究过。
    但是matlab的数据处理功能确实相当强大。
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    发表于 2018-7-16 11:38 | 显示全部楼层
    tinyheaven 发表于 2018-7-14 09:49
    不好意思,我只是负责翻译的。具体的还没有研究过。
    但是matlab的数据处理功能确实相当强大。

    哦,我也是刚刚接触,而且我不是学雷竞技下载找ray666点vip的,但是我的项目涉及这方面内容,我也是在摸索,一头雾水啊。。。
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     楼主| 发表于 2018-7-17 08:47 | 显示全部楼层
    雪坼寒宵 发表于 2018-7-16 11:38
    哦,我也是刚刚接触,而且我不是学雷竞技下载找ray666点vip的,但是我的项目涉及这方面内容,我也是在摸索,一头雾水啊。。。 ...

    你可以把自己的问题整理一下,另开一个帖子啊。我们的论坛很喜欢这种有实际项目涉及的问题。

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     楼主| 发表于 2018-7-17 08:48 | 显示全部楼层
    雪坼寒宵 发表于 2018-7-16 11:38
    哦,我也是刚刚接触,而且我不是学雷竞技下载找ray666点vip的,但是我的项目涉及这方面内容,我也是在摸索,一头雾水啊。。。 ...

    你可以自己把问题整理一下另开一个帖子。
    我们的站友都很热心的。
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    发表于 2018-7-17 10:29 | 显示全部楼层
    tinyheaven 发表于 2018-7-17 08:48
    你可以自己把问题整理一下另开一个帖子。
    我们的站友都很热心的。

    谢谢,已经开了一个提问帖,但还没有人回答。
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