ZEMAX與MATLAB動態(tài)數(shù)據(jù)交換及其應(yīng)用

摘要：為了將Zemax的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計和分析功能與Matlab強(qiáng)大的矩陣計算和數(shù)據(jù)分析功能很好地結(jié)合起來，對Matlab和Zemax的DDE（dynamic data exchange 動態(tài)數(shù)據(jù)交換）通信技術(shù)進(jìn)行了研究，并將其應(yīng)用于計算機(jī)輔助調(diào)腔技術(shù)的數(shù)值模擬過程中。通過動態(tài)數(shù)據(jù)交換完成Matlab對Zemax的控制，實現(xiàn)了二者之間的數(shù)據(jù)傳遞，即在Matlab的控制下，實現(xiàn)對光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的改變，并獲取輸出光束的Zernike多項式系數(shù)值,從而大大方便后續(xù)數(shù)據(jù)處理工作。同理，其逆過程可以將計算得到的結(jié)果反饋到光學(xué)系統(tǒng)中，用于系統(tǒng)優(yōu)化。二者的動態(tài)數(shù)據(jù)交換技術(shù)可提高研究過程中數(shù)據(jù)的可靠性和工作效率。

引言

多年來，很多單位引進(jìn)了ZEMAX軟件，它是一家美國公司推出的一個綜合性光學(xué)設(shè)計軟件。功能強(qiáng)大，集成了現(xiàn)在的光學(xué)設(shè)計工程師們想擁有的所有超強(qiáng)特性，包括設(shè)計、優(yōu)化、分析、公差估計、各種光學(xué)系統(tǒng)像質(zhì)評價與系統(tǒng)圖以及報表文檔輸出，支持用戶開發(fā)的宏和擴(kuò)展動態(tài)鏈接庫等諸多功能"并通過簡便直觀的用戶界面，為光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計者提供了一個方便快捷的操作手段。由于其優(yōu)越的性價比，近幾年來ZEMAX在光學(xué)設(shè)計領(lǐng)域所占份額越來越大，在全球已經(jīng)成為最為廣泛采用的軟件之一。在我國，使用ZEMAX進(jìn)行光學(xué)設(shè)計的技術(shù)人員也與日俱增。

而Matlab由于其集數(shù)值分析、矩陣運算、信號處理和圖形顯示于一體，可方便地應(yīng)用于數(shù)學(xué)計算、算法開發(fā)、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析和可視化等方面，編寫程序更加快捷方便，在科研領(lǐng)域得到了普遍應(yīng)用。

在光學(xué)系統(tǒng)測試和模擬中，不僅需要經(jīng)常用ZEMAX產(chǎn)生一些圖表和數(shù)據(jù)信息，還要經(jīng)常對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理。這個過程顯然只在ZEMAX中是不易完成的，具有強(qiáng)大的科學(xué)計算功能的Matlab成為首選"所以把Matlab和ZEMAX連接起來相互傳遞數(shù)據(jù)，可以發(fā)揮它們各自的優(yōu)勢，大大提高了工作效率。這就要求Matlab和ZEMAX之間能夠進(jìn)行動態(tài)數(shù)據(jù)交換（簡稱DDE）本文通過研究，對Matlab和ZEMAX之間的DDE技術(shù)進(jìn)行了介紹，并將其應(yīng)用于諧振腔的計算機(jī)輔助調(diào)節(jié)過程中。

1 DDE技術(shù)簡介

DDE是允許各WINDOWS應(yīng)用程序間交換數(shù)據(jù)的通信機(jī)制。應(yīng)用程序可以借助DDE通話實現(xiàn)彼此間的通信。請求建立對話的應(yīng)用程序稱為客戶(CLIENT)，而響應(yīng)對話請求的應(yīng)用程序被稱為服務(wù)器（SERVER）。WINDOWS平臺上的Matlab作為一個應(yīng)用程序，也具有借助DDE與其他應(yīng)用程序通信的功能。

在ZEMAX和Matlab的DDE通信中，ZEMAX通常是作為SERVER而Matlab作為CLIENT。對ZEMAX的操作通過一系列數(shù)據(jù)項的通信對話實現(xiàn)，這些數(shù)據(jù)項稱為"item"。這些item可以讓ZEMAX執(zhí)行某個功能或進(jìn)行某項計算。

當(dāng)Matlab以客戶身份建立DDE通信時，可以使用Matlab DDE客戶函數(shù)建立和保持對話。Matlab客戶模塊包括一系列函數(shù)，這里主要介紹一下我們用到的一些函數(shù)的功能：

1）ddeinit:啟動DDE對話，建立一個通道號，以后的操作均通過這個通道號，以后的操作均通過這個通道號進(jìn)行。

圖1.DDE通信技術(shù)在計算機(jī)輔助調(diào)腔中的運用過程框圖

1.凸面鏡；2.凹面鏡；3.輸出耦合鏡；4.小平面鏡

圖2.用ZEMAX模擬的處于失調(diào)狀態(tài)的諧振腔

圖3.系統(tǒng)調(diào)整前的干涉圖

圖4.系統(tǒng)調(diào)整前的干涉圖

計算機(jī)輔助調(diào)腔的整個模擬過程中需要經(jīng)常使用ZEMAX對光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行變化，不斷獲取系統(tǒng)數(shù)據(jù)，并利用Matlab進(jìn)行計算與處理，然后再反饋給失調(diào)的諧振腔系統(tǒng)。由以上簡單運用實例可以看出，ZEMAX和Matlab的DDE通信技術(shù)在該計算機(jī)輔助調(diào)腔研究中的應(yīng)用是行之有效的，大大提高了整個過程的工作效率。

4 結(jié)論

本文對zemax和Matlab之間的動態(tài)數(shù)據(jù)交換做了研究，并將其在光學(xué)諧振腔的計算機(jī)輔助調(diào)節(jié)的模擬過程中的運用做了舉例介紹。在二者的通信對話中ZEMAX只需要打開即可，對光學(xué)系統(tǒng)的操作，信息獲取以及數(shù)據(jù)處理等工作在Matlab中完成+這樣減少了數(shù)據(jù)獲取和復(fù)制的人為差錯，能夠提高計算精度和結(jié)果的可信度，并且可以大大提高工作效率，縮短在優(yōu)化光學(xué)系統(tǒng)時的數(shù)據(jù)處理時間，為該技術(shù)在其他方面的多種應(yīng)用研究提供了參考與借鑒。

審核編輯：湯梓紅