什么！？光學(xué)Python不會編？

上海安世亞太

2021年1月4日 15:23

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作者：劉瓊上海安世亞太光學(xué)應(yīng)用工程師

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編者按

作者由馬可·波羅的故事引申出光學(xué)的故事：馬可·波羅編寫了著名的游記，而光學(xué)仿真也可以通過在Ansys SPEOS中編寫Python腳本來實(shí)現(xiàn)，那么編寫需要哪些要素，如何串聯(lián)這些要素進(jìn)行編寫呢？作者在文中進(jìn)行了詳細(xì)的闡述。

故事

在世界史上，威尼斯商人馬可?波羅（Marco Polo, c. 1254-1324）無疑是一位偉大的旅行家。據(jù)稱他1271年隨父親與叔叔從威尼斯出發(fā)，前往今天的北京，并效忠于忽必烈。度過了24年的歡樂時(shí)光后，馬可?波羅重返威尼斯。在隨后的一次海戰(zhàn)中，馬可?波羅不幸被俘成為階下囚，并在監(jiān)獄中將自己的經(jīng)歷口述給作家Rustichello，誕生出舉世聞名的《馬可·波羅游記》。

后世的眾多航海家們都曾被這本書深深吸引，紛紛尋訪巨龍中國。這些探索極大促進(jìn)了東西方之間的文化交流。在某種意義上，馬可·波羅和他的《馬可·波羅游記》為歐洲開辟了一個(gè)嶄新的時(shí)代。

馬可·波羅真的到過中國么？ 這個(gè)問題一直是學(xué)界爭論的焦點(diǎn)。

質(zhì)疑者們認(rèn)為，諸如長城、筷子、茶葉、中醫(yī)、漢字、印刷術(shù)等極具中國特色的事物在這本著作中并未提及。這不得不讓人產(chǎn)生疑惑，也許他根本沒有到過中國。考古學(xué)家們猜測馬可?波羅也許是從波斯商人那里獲悉了各種關(guān)于中國的素材，然后將他們”編”在一起，成為了暢銷的《馬可?波羅游記》。

編

假如事實(shí)果真如此，馬可?波羅的迷弟哥倫布會不會詐尸后哭暈在船上，悲傷逆流成河。但是站在路人的角度，我們又不得不折服于馬可?波羅編故事的超能力。

雖然無法跨越時(shí)空和馬可?波羅來一場真正意義上的靈魂對話，但我們依然可以采用他的技巧編寫光學(xué)的“故事”——在Ansys SPEOS中編寫Python腳本實(shí)現(xiàn)光學(xué)仿真。

馬可?波羅被質(zhì)疑的事跡也時(shí)刻警醒著我們: 為了避免交貨時(shí)各方爸爸哭暈在廁所，吾輩絕對有義務(wù)消滅bug，凈化地球。

光學(xué)編故事

也許您對Python，Optical Simulation，Ansys SCDM，Ansys SPEOS，Ray Tracing某一個(gè)部分的內(nèi)容有過了解，或者更為精通。那么首先恭喜你，任督二脈已經(jīng)打通，成功離你越來越近了，接下來我們可以一本正經(jīng)的瞎編啦。但想要把故事編的更為出色，則需要有一些耐心，認(rèn)真的把這幾個(gè)技能加以研究并思考如何融合。

語言主技能Python ★★★★★

毫不夸張的說，Python能力決定了自動化流程的上限。由于互聯(lián)網(wǎng)上已經(jīng)存在海量的介紹，Ansys軟件也有相關(guān)的學(xué)習(xí)資料。這里對于Python便不做贅述。最基本的要求是掌握Strings、Lists、Dictionaries、Operators、Flow Controls 、Functions等基礎(chǔ)知識。

時(shí)間輔助技能Optical Simulation ★

雖然在光線追跡之前沒有嚴(yán)格的時(shí)間線規(guī)定，這里依然推薦大家按照建立/導(dǎo)入CAD、定義光學(xué)材料、定義光源、定義探測器、定義光線追跡、分析結(jié)果的順序完成，盡量保持一致的使用習(xí)慣，避免Python語句中可能出現(xiàn)的由邏輯錯(cuò)誤產(chǎn)生的bug。

地點(diǎn) 輔助技能Ansys SCDM ★★★

ANSYS SpaceClaim Direct Modeler（簡稱 SCDM）可以為結(jié)構(gòu)、流體、電磁、光學(xué)等學(xué)科提供前處理。為了能實(shí)現(xiàn)對SPEOS的強(qiáng)力支撐，這里的核心建模與Scripting的基本構(gòu)成必須掌握。

對于初學(xué)者來說，記錄功能是個(gè)很好的學(xué)習(xí)過程，但切記基礎(chǔ)腳本具有局限性，諸如：部分幾何特征選取、創(chuàng)建和編輯過程無法錄制，如曲線點(diǎn)選取、梁特征創(chuàng)建等；甚至隨著幾何尺寸或拓?fù)渥兓螅?strong>幾何特征位置選擇可能會失效，穩(wěn)定性差。

這部分的內(nèi)容還需要結(jié)合API開發(fā)文檔進(jìn)行補(bǔ)充。

人物主技能Ansys SPEOS ★★★★★

Ansys SPEOS在2020R2的版本中，錄制功能并不記錄光學(xué)仿真的創(chuàng)建過程。在這時(shí)期，學(xué)習(xí)速度相對是緩慢的，此時(shí)可供仿真使用的代碼并不豐富。

Ansys SPEOS在2021R1 Beta的版本中，開放了所有光學(xué)仿真中需要的API。

情節(jié) 爆發(fā)技Ray Tracing ★★★★★

只有在前面幾個(gè)要素都熟悉的情況下，我們可以把語言、時(shí)間、地點(diǎn)、人物進(jìn)行最后的串聯(lián)，完成追跡。

目前作為主角的Ansys SPEOS在2021R1中已然蛻變，不但具備極強(qiáng)的自動化水平，并且對初學(xué)者非常友好。因此只要將代碼熟悉到一定程度，賦予期待的情節(jié)，完全可以編出各種美妙的故事，比如《什么！？光找對象了？》、《什么！？光找到對象了！》、《什么！？光看對象了到底行不行？》，詳情請點(diǎn)擊下面的視頻！

什么！？光學(xué)Python不會編？的圖12