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Zemax与Matlab动态数据交换及其应用研究


第29卷第4期
2008年7月

应用光学 Journal of Applied optics

V01.29

No.4 2008

Jul.

文章编号:1002—2082(2008)04一0553一04

Zemax与Matlab动态数据交换及其

应用研究
张文静,刘文广,刘泽金
(国防科学技术大学光电科学与工程学院,湖南长沙410073)



要:

为了将Zemax的光学系统设计和分析功能与Matlab强大的矩阵计算和数据分析功能
data

很好地结合起来,对Matlab和Zemax的DDE(dynamic

exchange动态数据交换)通信技术进

行了研究,并将其应用于计算机辅助调腔技术的数值模拟过程中。通过动态数据交换完成Matlab 对Zemax的控制,实现了二者之间的数据传递,即在Matlab的控制下,实现对光学系统结构的改 变。并获取输出光束的Zernike多项式系数值,从而大大方便后续数据处理工作。同理,其逆过程可 以将计算得到的结果反馈到光学系统中,用于系统优化。二者的动态数据交换技术可提高研究过 程中数据的可靠性和工作效率。 关键词: 计算机辅助设计;Zemax软件;Matlab软件;动态数据交换;光学设计
文献标志码:A 中图分类号:TN919.6;TP319

Dynamic data exchange between Z:emax and
ZHANG

Matlab

Wen—jing,LIU Wen—guang,LIU Ze—jin

(College of 0ptoelectric Science and Engineering,National University of Defense Technology,Changsha 410073,China)

Abstract: analysis

In order with

to

successfuUy combine Zemax’s functions of the optical system design and
on

Matlab’s powerful ability

the

matrix

calculation

and

data

analysis,

the was

communication technique of DDE(dynamic data researched and alignment. transmission JⅥatlab,the values of applied
to

exchange)
process

between the of the

two softwares

the

numeric
to

simulation

computer—aided DDE under
to

resonator

The control

of Matlab

Zemax was implemented was realyzed.
can

through

and the
get

the

data

between the two softwares
structure

In other words,

cantroI of


of the optical system coefficients same

be rectified,and it is easy
output

series of for the
as a

Zernike

polynomial In the

of the

beam. resuits

So
can

it

is be

convenient
sent to can

f01lowing data process.

way,the calculation

Zemax

feedback of the optical system optimization.Data reliability and work efficiency in this way. DDE technique between Zemax and Matlab is very

be improved

helpful in the field of optical

system design and optimization. 1【ey words: computer—aided design;Zemax;T订atlab;dynamic data exchange;optical design

引言
近年来,很多单位引进了Zemax软件,它是美
国Focus Software公司推出的一个综合性光学设

计软件。功能强大,集成了现在的光学设计工程师 们想拥有的所有超强特性,包括设计、优化、分析、 公差估计、各种光学系统像质评价与系统图以及报

收稿日期:2007一09—14l 修回日期:2007—10—09 基金项目:国家863项目;国防预研基金 作者简介:张文静(1982一).女,山东济宁人,硕士研究生。主要从事光学设计和光电工程方面的研究。 E—ma订:zwj22211l@163.com

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张文静,等:Zemax与Matlab动态数据交换及其应用研究
channel=ddeinit(‘service’,‘toDic’)

表文档输出,支持用户开发的宏和扩展动态链接库 等诸多功能。并通过简便直观的用户界面,为光学 系统设计者提供了一个方便快捷的操作手段。由于 其优越的性价比,近几年来Zemax在光学设计领 域所占份额越来越大,在全球已经成为最为广泛采 用的软件之一。在我国。使用Zemax进行光学设计 的技术人员也与日俱增oj。 而Matlab由于其集数值分析、矩阵运算、信号 处理和图形显示于一体,可方便地应用于数学计 算、算法开发、数据采集、数据分析和可视化等方 面.编写程序更加快捷方便,在科研领域得到了普 遍应用。 在光学系统测试和模拟中。不仅需要经常用 Zemax产生一些图表和数据信息,还要经常对这 些数据进行分析和处理。这个过程显然只在Zemax 中是不易完成的,具有强大的科学计算功能的 Matlab成为首选。所以把Matlab和Zemax连接起 来相互传递数据,可以发挥它们各自的优势,大大 提高了工作效率。这就要求Matlab与Zemax之间 能够进行动态数据交换(简称DDE)。本文通过研 究,对Zemax和Matlab之间的DDE技术进行了介 绍,并将其应用于谐振腔的计算机辅助调节过程 中。 2

参数SERVICE表示将要与Matlab进行通信 的应用程序的类型名;topic表示通信的主题,即与 Matlab进行通信的应用程序名;返回值channel表 示分配给该通信过程的一个通道。当出错时返回值
为O。

2)ddereq:向应用程序索要数据。 其调用格式为
data=dderea(channel, timeout) ‘item’,format,

参数channel表示已经建立的通信通道名,该 参数是ddeinit()函数的返回值;item表示进行通 信的数据项名称,它是应用程序中将要接收 Matlab数据的一个实体;format是任选项,表示对 方需要的数据格式;timeout也是任选项,它规定这 次操作的时间限制,缺省值为3s;返回值data包含 了接收到的数据,若data为空,则表示出错。 3)ddeterm:结束DDE对话。 其调用格式为
rc=ddeterm(channel)

Matlab和Zemax通信技术在计算
当谐振腔这个光学系统发生失调的时候。我们

机辅助调腔中运用举例 DDE技术简介
DDE是允许各wINI)()WS应用程序间交换 期望通过输出光波的ZERNIKE系数来计算出系 统的失调量,该过程的模拟需要4个步骤,如图1所



数据的通信机制。应用程序可以借助DDE通话实 现彼此问的通信。请求建立对话的应用程序称为客 户(CLIENT),而响应对话请求的应用程序被称为 服务器(SERVER)。wINDoWS平台上的Matlab 作为一个应用程序,也具有借助DDE与其他应用 程序通信的功能口]。 在Zemax和Matlab的DDE通信中,Zemax通 常是作为SERVER而Matlab作为CI。IENT。对 Zemax的操作通过一系列数据项的通信对话实 现,这些数据项称为“item”。这些item可以让 Zemax执行某个功能或进行某项计算。 当Matlab以客户身份建立DDE通信时,可以 使用Matlab DDE客户函数建立和保持对话。 Matlab客户模块包括一系列函数,这里主要介绍 一下我们用到的一些函数的功能: 1)ddeinit:启动DDE对话,建立一个通道号, 以后的操作均通过这个通道号进行。 其调用格式为
Fig.1
dde

图l

DDE通信技术在计算机辅助调腔中的
运用过程框图

ApplicatiOn pr毗ess 0f DDE communicatiOn technology in cOmputer—aided
resOnator

aIignment

在上述过程中,步骤(2)一(3)中需要建立 DDE对话是因为要将Zemax产生的数据为Matlab 获取。而步骤(4)一(2)建立DDE是将Matlab计算 的数据反馈到Zemax中的谐振腔系统中,相当于 步骤(2)一(3)的逆过程。现在简要介绍该过程中主 要用到的功能模块。 2.1建立与关闭连接 channel=ddeinit(‘zemax’,‘d:\zemax\

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works\resonator.zmx’)

reply=ddereq(channel,DDECommand。[1, 1]); %通过通道执行上句所描述的操作。并将获取 的文本信息保存至filename中。
f=getzernike(9,filename)

建立DDE对话时,客户应用程序必须识别
SERVICE

NAME,即被请求对话的应用程序名,

这里Zemax作为SERVER,其服务名即为Zemax, 若所要进行操作的ZMX文件已经打开,可以省略 第2个引号内的内容。返回结果即为通道号。
ddeterm(channel);

%通过Matlab自编函数直接获取想要的数据。

关闭连接。 2.2在MATLAB中对光学系统的结构进行修改
SurfaceNumber=10;


3.1

应用举例
建立处于失调状态的谐振腔系统模型 在Zemax中建立处于失调状态的谐振腔的模

%指定所要进行操作 %动作编号,代表绕

的镜面编号
ParameterNumber=3;

型,如图2所示。

X轴倾斜。此处的编号根据所要对之进行操作的 表面的不同而不同。
NewValue=O.01; Command =

%修改数值,即倾斜度数
(‘Set Surface Number,

sprintf

Parameter,%i,%i,%11.9f’,Surface
Parameter Number,New Value);

%Set

Surface

Parameter用来设置表面的参 EDITOR中,每一

数,是Zemax与其他应用程序进行通信时的一个 item。在Zemax的LENS
DATA 1.凸面镜;2.凹面镜;3.输出耦合镜;4.小平面镜

个平面最后的几列都是用来设置该表面的参数的, 不同类型的表面参数的个数和它们的意义不尽相 同。这一句利用Matlab语言把要对Zemax进行的 操作描述了出来。
a=ddereq(channel, 3000);

图2用Zemax模拟的处于失调状态的谐振腔
Fig.2

Misaligned

resonatOr

simuIated by Zemax

该系统是一个正支共焦非稳腔,通常情况下由 1个凹面镜,1个凸面镜,1个输出耦合镜构成,输 出为环形光束。假设该系统情况为凹面镜绕X轴 倾斜O.015。,记为丁2x—O.015。。 3.2获取谐振腔结构特征和输出光束数据 channel—ddeinit(‘zemax’,‘d:\zemax\
works\resonator.zmx’);

Command,[1

1],

%ddereq在此起的作用是通过通道,将前一 句的所描述命令对Zemax进行操作,并将I。ENS DATA存储于ZEMAX
3000); DDE

SERVER存储器中。 1],

b==ddereq(channel,‘PushLens’,[1 %将ZEMAX 复制到LENS 2.3数据获取
filename=‘D:\ZEMAX\filename.txt’;
DDE

newfilename=‘D:\ZEMAX\newfilename.
txt’:

SERVER存储器中的数据

DDECommand=sprintf(‘GetTextFile,“%
s”,%s,“%s”,%i’,newfilena.me,‘Zfr’,”,0);

DATA

EDITOR中。

reply=ddereq(channel,DDECommand,[1,
1j)’
newf=getzernike(9,newfilename);

%最好写完整路径 DDECommand=sprintf(‘GetTextFile,“% s,’,%s,“%s",%i’,filename,
‘Zfr’,,,,0);

%获取失调系统输出光束的zernike系数值
DDECommand = sDrintf (‘GetSurface

%GetTextFile这个item产生文本格式的 Zemax分析文件,以便使其他应用程序获取光学 系统信息。此句用来形成一个用来获取此谐振腔输 出光波的ZERNIKE
FRINGE

Parameter。%i,%i’,Surface Number,Parameter
Number);

Reply=ddereq(channel,DDECommand,[1, 1],3000);
T2X=str2num(Reply);

COEFFICIENTS数

据的命令。Filename和Zfr等是这个item的参数。

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张文静,等:Zemax与Matlab动态数据交换及其应用研究

%系统失调的结构参数的失调数值 3.3计算失调量 选择合适的算法计算出失调量z=O.015 3.4修改系统
SurfaceNumber=8; ParameterNumber=4; NewValue—T 2X—x; DDECommand = sprintf (‘SetSurface Number, 2。。

计算机辅助调腔的整个模拟过程中需要经常 使用Zemax对光学系统的结构进行变化,不断获 取系统数据,并利用Matlab进行计算与处理,然后 再反馈给失调的谐振腔系统。由以上简单运用实例 可以看出,Zemax和Matlab的DDE通信技术在该 计算机辅助调腔研究中的应用是行之有效的,大大 提高了整个过程的工作效率。

Parameter,%i,%i,%11.9f’,Surface
Parameter Number,New Value);



结论
本文对Zemax和Matlab之间的动态数据交换

reply—ddereq(channel,DDEcommand,[1,
1j);

做了研究,并将其在光学谐振腔的计算机辅助调节 的模拟过程中的运用做了举例介绍。在二者的通信 对话中,Zemax只需要打开即可,对光学系统的操 作,信息获取以及数据处理等工作在Matlab中完 成。这样减少了数据获取和复制的人为差错,能够 提高计算精度和结果的可信度,并且可以大大提高 工作效率,缩短在优化光学系统时的数据处理时 间,为该技术在其他方面的多种应用研究提供了参 考与借鉴。

reply=ddereq(channel,‘PushLens’,[1 1],
3。1000);

%close

dde

ddeterm(channel):

这样失调的谐振腔根据Matlab的计算结果进 行修正,调整前后系统输出光束干涉图和斯特列尔 比如图3和图4所示。

参考文献:

[1]李林.林家明,王平,等.工程光学[M].北京:北京理
工大学出版社,2004.
LI Lin,LIN

Jia—ming,WANG Ping.

Engineering

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Institute of Technology

[2]

张立科.Matlab 7.o从入门到精通[M].北京:人民

邮电出版社,2004.
ZHANG

图3
Fig.3

系统调整前的干涉图

Li—ke.Matlab 7.O from basic

to

familia“ty (in

InterferOgram obtained before alignment of system

[M].Beijing:Posts 8L Telecom.
Chinese)

Press,2004.

[3]王学新,杨照金,武波。等.用2种光学设计软件对像差 特性进行的研究[J].应用光学,2006,27(2):124—128.
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Research different of aberration design characte“zation using two

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Applied 0ptics,2006,27(2):124—128.(in Chinese)

[4]刘日异,高卫华.Matlab的动态数据交换及其应用 研究[J].测控技术。200l,20(6):39—40.
LIU Ri—sheng,GA0

Wei-hua.

Matlab





dynamic

data exchange and its

application[J].Measurement
(in

圈4
Fig.4

系统调整后的干涉图

&Control
Chinese)

Technology,2001,20(6):39—40.

Interferogram taken after aIignment Of system

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