Zemax与Matlab动态数据交换及其应用研究

摘要：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很好地结合起来，对Matlab和Zemax的DDE（dynamic data 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

引言

多年来，很多单位引进了ZEMAX软件，它是一家美国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。

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和ZEMAX之间能够进行动态数据交换（简称DDE）本文通过研究，对Matlab和ZEMAX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。

1 DDE技术简介

DDE是允许各WINDOWS应用程序间交换数据的通信机制。应用程序可以借助DDE通话实现彼此间的通信。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..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。

在ZEMAX和Matlab的DDE通信中，ZEMAX通常是作为SERVER而Matlab作为CLIENT。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，以后的操作均通过这个通道号进行。

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图1. DDE通信技术在计算机辅助调腔中的运用过程框图

1.凸面镜；2.凹面镜；3.输出耦合镜；4.小平面镜

图2. 用ZEMAX模拟的处于失调状态的谐振腔

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图3.系统调整前的干涉图

图4.系统调整前的干涉图

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。

4 结论

本文对zemax和Matlab之间的动态数据交换做了研究，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。

鉴于篇幅，本文仅为节选（应用光学 第29卷 第4期），全文内容可阅读原文下载PDF文档。