Ansys Zemax / SPEOS | 光源文件转换器

本文解释了如何在 SPEOS 与 Zemax 之间转换二进制光源文件。

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简介
在本文中，为用户提供了一组Python代码，用于在Zemax和SPEOS之间转换源文件。

有些光源，如 .IES 文件，可在 SPEOS 和 Zemax 中进行载入和读取。然而，IES 源文件只包含角数据，只有当光学系统位于光源远场时才适用。如果我们想要在光源文件中包含位置数据，则对应的光源文件格式在 SPEOS 和 Zemax 中是不同的。在 SPEOS 中，对应文件为 .RAY 文件；在Zemax中，有两种对应文件格式，即 .DAT（单色）和 .SDF（多色）。

在第一部分中，我们描述了 Zemax 与 SPEOS 分别使用的光源文件格式。

在第二部分中，我们描述了如何使用文章中所提供的的 Python 代码将 Zemax 光源转换为 SPEOS 光源，所使用的示例光学文件为 rayfile_LCB_G6SP_100k_20210701_Zemax.dat。

在第三部分中，我们描述了如何使用文章中所提供的的 Python 代码将 SPEOS 光源转换为 Zemax 光源，所使用的示例光学文件为 rayfile_LCB_G6SP_100k_20210701_Speos.ray。

SPEOS 以及 ZEMAX 光源文件格式
在本章节中，介绍了 Zemax 和 SPEOS 的光源文件格式。但这并不是本文的主要目的，但用户可以按照这里描述的定义创建自己的 SPEOS 或 Zemax 光源文件。

.RAY、.SDF 和 .DAT 的文件格式都是以二进制形式定义的。二进制光源文件包含一个数据头结构，然后是每条光线的数据。SPEOS 和 Zemax 光源文件包含不同的数据标题信息，光线数据也将按照不同的顺序定义。

1.1 SPEOS 光源文件格式

SPEOS 光源文件数据标题结构将包含 28 字节，即 7 个双精度数值，分别表示如下内容：

1：辐射功率 

2、3、4、5、6：定义光线文件的版本

7：光度学功率

在文件数据标题之后定义了每条光线的数据，每条光线将包含 8 个双精度数据：

X
Y 
Z 
L 
M 
N 
Wavelength 
Energy  
X, Y, Z 表示光线的位置

L, M, N 表示光线的方向 

Wavelength 表示光线的波长

Energy 表示光线的能量，以 Watts 为单位 

 
1.2 Zemax 光源文件格式

Zemax 光源文件的格式在 Zemax 帮助手册中的如下章节中有详细描述：

The Setup Tab > Editors Group (Setup Tab) > Non-sequential Component Editor > Non-sequential Sources > Source File 

在本文章中，我们也将简单进行说明。Zemax 二进制光源文件将具有 208 字节，其中对应为：

 

描述部分包含 100 字节，其他数据的大小为 4 字节，请在您创建自定义光源文件时对此谨慎。

ray_format_type 必须为 0（仅光通量格式）或 2（光谱颜色格式），不支持其他格式类型。当且仅当 ray_format_type 为 0 时，则 flux_type 为 0 Watts，以及 1 Lumens。对于光谱颜色格式，光通量必须以 Watts 为单位，波长必须以 μm 为单位。

在数据标题之后定义光线结构，光线结构格式取决于光线格式类型。

以下为单色光源的光线格式： 

 

SPEOS 光线数据也相同，X、Y、Z 表示光线位置，L、M、N 表示光线方向。Zemax 光源文件中的光通量等效于 SPEOS 中的能量数据。 

以下为复色光源的光线格式： 

 

1.3 Speos 与 Zemax 光谱文件格式

有时我们可以找到与光源文件一起提供的光谱文件，所以我们添加了这一部分，以便光谱文件可以得到转换和应用。两个光谱文件都是文本格式定义的。

SPEOS 光谱文件以扩展名 *.spectrum 结束，将包含以下信息：数据标题、名称、波长总数和它们的权重、具体波长和权重。

 

Zemax 光谱文件以扩展名 *.SPCD 结束，并且放置在 \Sources\Spectrum 文件夹中。文件将用于描述光源颜色模拟的用户自定义光谱。文件格式为以下形式的成对数据：

# comment
wavelength1 weight1
wavelength2 weight2
etc…

波长数据以 μm 为单位，并且需要以升序的形式排列。权重则表示为相对功率单位的无量纲形式。请注意定义的数据最少为 3 对，最多为 200 对。

将 Zemax 文件转换至 SPEOS 
本章节解释了如何使用 Python 代码将 Zemax 光源文件转换为 SPEOS 光源文件。

2.1 执行 Python 代码 

打开 Python IDLE 程序，注意本文中使用的 Python 版本为 3.9.2。 

 

点击 文件 > 打开： 

 

选择本文附件 ZIP 中名为 Convert_ZEMAX_to_SPEOS.py 的文件。在执行文件之前，请确保您已经将光源文件的路径进行了对应修改：

 

如需要，修改 theZemaxSpectrumPath 至电脑内光源文件对应的路径：

如果您倾向于在图形用户界面中选择文件，您可以将后续三行的代码取消 “注释” 设置： 

 

后续，点击运行模块： 

 

在文章附件中，我们提供了后续使用的光源文件，用于介绍如何使用对应转换器，文件为：

rayfile_LCB_G6SP_100K_20210701_Zemax.dat. 

注意，通过 .DAT 的文件尾缀可以了解到该文件为单色光源文件，我们也支持 .SDF 文件的转换。

 

在转换过程中，将输出一些重要的信息。转换后得到的文件将保存至原光源文件相同的路径当中。

 

2.2 Zemax 中的角向和位置分布结果 

为了验证光源文件转换前后的一致性，我们将光源文件载入了 Zemax OpticStudio 后进行了光线追迹。

光源文件位于：\Document\Zemax\Objects\Sources\Source 文件夹，如此可以直接从光源文件列表中进行选择。

下图为光源文件和光源类型的选择： 

 

我们创建了一个极探测器 (Detector Polar) 用于观察角向分布情况。最大的角度为 180 度，并且径向和角向像素数量设置为 180。

同样也创建了一个矩形探测器 (Detector Rectangle)，参数为 Z = 1mm、X Half Width = Y Half Width = 10 mm 以及 #X Pixel = #Y Pixel = 100。也将使得我们可以在 1mm 之外查看光源发出的光斑情况。

 

以下为光源的角向和位置分布： 

 

 
2.3 SPEOS 中的角向和位置分布结果

以下为 SPEOS 中的探测器参数： 

 

以下为在 SPEOS 中查看到的光源角向和位置分布情况：

 

将 SPEOS 光源文件转换至 Zemax
本章节解释了如何使用 Python 代码将 SPEOS 光源文件转换为 Zemax 光源文件。由于 SPEOS 光源文件将包含波长信息，转换得到的 Zemax 文件将始终为 .SDF 文件。 

我们将再次使用 IDLE Shell 3.9.2 运行对应代码。使用的 Python 代码文件名为：

Convert_SPEOS_to_ZEMAX.py 

 

将文件路径修改为电脑中存放以下光源文件的路径：

rayfile_LCB_G6SP_100k_20210701_Speos.RAY 

 

如需要，修改 SpeoSpectrumPath 至电脑中光源文件所处的路径：

 

点击执行模块： 

 

如果在 Python 窗口中未出现任何警告或错误，通常情况下表示转换成功：

 

3.2 SPEOS 中的角向和位置分布结果

我们将使用与上述示例相同的探测器参数执行模拟，将得到与我们先前转换完全相同的角向与位置分布结果：

 

 

 
3.3 Zemax 中的角向以及位置分布结果 

生成的光源文件将位于：\Objects\Sources\Source 文件夹中，并且可以选择成为光源文件。

 

转换得到的光谱文件为：LCB_G6SP_20210701_spectrum.spcd，需要被放置在 \Objects\Sources\Spectrum 文件夹，并且可以选择作为光源文件：

 

将使用与上述示例相同的探测器设置： 

 

以下为最终得到的角向和位置分布结果： 

 

3.4 其他注解

请注意 SPEOS 并不是唯一可以生成 .RAY 光源文件的软件。

如果在转换过程中收到 “Warning: File size is not 28 + 8 * 4 * N ? Please verify if it is a SPEOS .ray file.” 的错误提示，表示转换得到的光源文件中将丢失部分光线数据。