這篇文章介紹了如何將STL、IGES、STEP和SAT等格式的CAD（計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，Computer Aided Design）物體導(dǎo)入到OpticStudio中。

CAD文件的格式一般與您所使用的CAD軟件相關(guān)，格式種類眾多，不同的格式也有各自擅長的領(lǐng)域。如，STL格式是利用三角形網(wǎng)格來表示三維物體的，所以，對(duì)于那些原本就是由多個(gè)平面圍成的物體來說是一個(gè)不錯(cuò)的選擇，該格式也常應(yīng)用于3D打印領(lǐng)域。IGES格式與STEP格式在不同的CAD軟件中都有良好的兼容性。在二者中做選擇時(shí)，要看它們當(dāng)中哪一個(gè)的模型導(dǎo)出程序?qū)ξ矬w模型的表示方式更適合于您的物體模型。如果您使用基于ACIS引擎的CAD軟件，那么推薦您使用SAT格式的CAD文件。

簡介

在OpticStudio中導(dǎo)入CAD物體是非常重要的功能，尤其是在對(duì)復(fù)雜的光機(jī)元件進(jìn)行雜散光分析時(shí)，光線會(huì)在這類光機(jī)元件上發(fā)生較為嚴(yán)重的反射和散射效應(yīng)。導(dǎo)入CAD功能在照明系統(tǒng)中同樣重要，例如在汽車儀表盤中，光線可能會(huì)入射到一個(gè)復(fù)雜的光導(dǎo)管之中。OpticStudio的導(dǎo)入CAD物體功能非常靈活且強(qiáng)大，它支持多種常見的CAD文件格式。

導(dǎo)入CAD物體

CAD物體結(jié)構(gòu)可能十分復(fù)雜，一根光線可能會(huì)在物體中產(chǎn)生多次反射、折射或散射等相互作用。因此，我們使用非序列光線追跡來描述光線與物體之間的相互作用。在序列系統(tǒng)中，我們也可以使用混合模式來進(jìn)行類似的非序列光線追跡。

OpticStudio支持四種靜態(tài)CAD文件格式：STL、IGES、STEP和SAT（如SLDPRT和ZPO這樣的動(dòng)態(tài)CAD格式，不在本文的討論范圍之內(nèi)）。在四者之中，只有STL格式是用小的三角形表面連接在一起，來近似表示物體模型的曲面，其它三種格式會(huì)使用平滑而連續(xù)的表面進(jìn)行建模。物體上的小平面 (Facets) 只用于在屏幕上顯示。因此，在連續(xù)且光滑的CAD物體表面進(jìn)行的光線追跡在CAD模型精度下是精確的，盡管我們使用小平面來繪制物體。

需要特別注意的是，雖然OpticStudio支持由實(shí)際的小平面組成的CAD物體模型，但是在多數(shù)時(shí)候，我們見到的由小平面組成的CAD物體僅僅是顯示成這樣，而光線追跡的精度仍會(huì)以實(shí)際表面的精度為準(zhǔn)。

STL格式

STL (Stereolithography Tessellation Language) 格式在3D打印技術(shù)中應(yīng)用廣泛，它能夠簡單地對(duì)常見的三維形狀進(jìn)行建模。它利用三角形的鱗甲面來描述物體模型，即一系列小的三角形面拼合在一起來近似表示物體模型的表面。

您可以從參考資料1中查看有關(guān)STL格式的概述。STL文件中的每一個(gè)小三角面都是由它三個(gè)頂點(diǎn)的 {x,y,z} 坐標(biāo)以及表面法向量來定義的。下面是STL格式的示例文件的前幾行代碼，它由AutoCAD軟件生成：

（需要注意，OpticStudio會(huì)同時(shí)導(dǎo)入STL格式的ASCII版本和二進(jìn)制版本）STL格式的小平面特性決定了它非常適用于建模反射鏡和棱鏡。然而它不擅長表示光滑的曲面，這是因?yàn)槭褂眯∪切西[甲面來表示曲面的方式會(huì)降低光線追跡的精度。

STL格式的CAD物體需要使用物體類型“CAD零件：STL (CAD Part: STL)”進(jìn)行導(dǎo)入。后綴名為 .stl的文件必須保存在Zemax根目錄下的objects文件夾中的CAD Files文件夾下。

當(dāng)導(dǎo)入完成后，您可以像設(shè)置其他物體位置那樣來設(shè)置CAD物體的位置。

如下圖所示，我們可以用STL格式精準(zhǔn)地模擬由多個(gè)平面構(gòu)成的棱鏡，但對(duì)于球體來說，STL格式只能近似地模擬。

球面是由三角形網(wǎng)格模擬形成的：

在本例中，屏幕上顯示的小平面就是實(shí)際從STL物體文件中生成的，并且光線會(huì)直接與這些小平面接觸。

IGES 格式

IGES (The Initial Graphics Exchange Specification) 是美國的國標(biāo)格式，建立這一格式的初衷是在不同CAD軟件之間實(shí)現(xiàn)便利的數(shù)據(jù)傳輸。

IGES物體需要保存在Zemax根目錄下的objects文件夾中的CAD Files文件夾下，并且需要使用物體類型“CAD零件：STEP/IGES/SAT (CAD Part: STEP/IGES/SAT)”進(jìn)行導(dǎo)入。

下圖所示物體是由SoildWorks軟件導(dǎo)出的IGES格式模型：

現(xiàn)在，Solidworks輸出這個(gè)物體的格式是任意的，很可能是NURBS格式(請(qǐng)參閱參考資料3)，在屏幕中物體是通過小平面來顯示的，而實(shí)際的IGES物體的結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜：

需要注意的是，OpticStudio使用這些小平面只有一個(gè)原因：僅用于在屏幕上繪制物體。IGES格式的物體在內(nèi)部計(jì)算時(shí)仍會(huì)采用光滑且精確的物體模型，而不是采用像STL物體那樣的小平面。

STEP 格式

STEP (Standard for the Exchange of Product Model Data) 是一個(gè)綜合的ISO標(biāo)準(zhǔn) (ISO10303) 格式，它用來描述如何表示和交換數(shù)字產(chǎn)品的信息。

對(duì)于OpticStudio的用戶來說，選擇IGES格式還是STEP格式都沒有任何問題。OpticStudio可以很好地處理這兩種格式。因此在選擇格式時(shí)，您可以根據(jù)CAD軟件導(dǎo)出模型的質(zhì)量來決定。IGES是較舊的格式，一些CAD的供應(yīng)商會(huì)使用他們自己的導(dǎo)出程序，因此根據(jù)供應(yīng)商不同，數(shù)據(jù)可能存在少許偏差。而STEP格式則較新，大多數(shù)CAD供應(yīng)商都會(huì)使用像Step Tools這樣的內(nèi)置庫程序進(jìn)行導(dǎo)出，因此CAD文件在STEP格式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換時(shí)能夠保持更好的一致性。

在OpticStudio中，STEP格式物體導(dǎo)入的方法與IGES格式物體的方法完全相同。

SAT 格式

SAT格式是Spatial Technologies公司采用ACIS (Andy CharlesIan’s System) 幾何建模引擎開發(fā)出來的。它可以直接表示ACIS建模引擎的內(nèi)部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。也就是說，當(dāng)您在一個(gè)以ACIS為基礎(chǔ)的CAD軟件中加載SAT格式的文件時(shí)，軟件不會(huì)對(duì)這個(gè)文件進(jìn)行編譯，而是直接使用文件中的數(shù)據(jù)。因此，SAT格式本質(zhì)上不是一個(gè)用于CAD數(shù)據(jù)交換的格式，它本身就是一個(gè)CAD格式。

所以如果您使用基于ACIS的CAD軟件，那么您可能會(huì)使用到SAT格式的文件，否則您可能不會(huì)接觸到SAT格式的文件。此外，SAT格式文件可以平滑且連續(xù)的表示物體，其導(dǎo)入OpticStudio的方法也與導(dǎo)入IGES文件相同

調(diào)整CAD物體的屬性和參數(shù)

您可以在非序列元件編輯器的參數(shù)數(shù)據(jù)表格或物體的屬性窗口中修改和控制已導(dǎo)入CAD物體的屬性和參數(shù)。這些操作適用于上文提到的全部四種CAD文件格式。

可修改的屬性和參數(shù)有：

材料 (Material)：每個(gè)物體僅能定義一種材料。比如，這個(gè)咖啡壺是由玻璃罐、塑料蓋、塑料手柄、將手柄與罐身連接的鋁環(huán)，以及將手柄與鋁環(huán)固定的金屬螺絲組成。如果想導(dǎo)入這樣一個(gè)咖啡壺整體，則需要在CAD軟件分別導(dǎo)出這些零件的CAD文件，再把這些文件分別導(dǎo)入到OpticStudio中；或者，可以分解導(dǎo)入的物體，再單獨(dú)賦予每個(gè)子物體相應(yīng)的光學(xué)特性。分離的子物體可以以一個(gè)主物體為基準(zhǔn)，采用相對(duì)參考的方式來確定它們與主物體之間的位置關(guān)系，以便整個(gè)咖啡壺能夠作為一個(gè)整體來一起進(jìn)行移動(dòng)或旋轉(zhuǎn)。

縮放 (Scale)：這是一個(gè)無量綱的參數(shù)，您可以利用這個(gè)參數(shù)對(duì)物體尺寸進(jìn)行縮放。

模式 (Mode)：它用來調(diào)整模型建立的時(shí)間與光線追跡的速度。如果模式參數(shù)為1，則表示模型建立的時(shí)間短但模型的光線追跡速度慢；如果參數(shù)值為2，則表示模型建立的時(shí)間中等且模型光線追跡的速度也屬于中等水平；如果參數(shù)值為3，則表示模型建立時(shí)間較慢但模型的光線追跡速度較快。一般情況下，在OpticStudio中建立光學(xué)系統(tǒng)時(shí)使用模式1，而在進(jìn)行大量光線追跡時(shí)使用模式3。需要注意的是，不同的模式只會(huì)影響光線追跡的速度和物體初始加載的時(shí)間，并不會(huì)影響光線追跡的精度。

X，Y和Z像元數(shù) (X, Y, Z Voxels)：該參數(shù)用來表示使用多少個(gè)體元來表示所定義物體的不可見的邊界。體元技術(shù)允許通過在給定的體元數(shù)量下，預(yù)先計(jì)算物體或物體的一部分，以實(shí)現(xiàn)光線的快速追跡。進(jìn)入一個(gè)體元空間的光線只可能與所有體元的一個(gè)子集相交；因此只需要判斷這些子集體元上是否發(fā)生了光線與物體的相交即可。像元數(shù)越大，則模型的建立時(shí)間越長，但光線追跡的速度越快。通常情況下需要實(shí)驗(yàn)幾次才能確定合適的像元數(shù)。需要注意的是，像元數(shù)會(huì)影響光線追跡的速度和以及建立物體所需的內(nèi)存，但同樣不會(huì)影響光線追跡的精度。

分解文件？ (Explode?)：該參數(shù)表示CAD零件是否已被分解。這個(gè)參數(shù)是OpticStudio用來表示分解狀態(tài)的，不需要用戶進(jìn)行設(shè)置。如果您想要分解一個(gè)CAD物體，可以選擇非序列元件編輯器工具欄上的CAD > 分解CAD裝配體文件 (Explode CAD Assembly)?來實(shí)現(xiàn)。

弦公差 (Chord Tolerance)：該選項(xiàng)位于物體屬性 (Object Properties)?中的CAD標(biāo)簽中，它只影響物體在布局圖中的渲染效果。OpticStudio在渲染物體時(shí)，會(huì)將物體表面近似表示為多個(gè)三角形的鱗甲面，弦公差表示三角形鱗甲面上的點(diǎn)與物體真正的表面之間所允許的最大偏差距離。如果把這個(gè)值改小，則會(huì)添加更多的三角形面來精細(xì)地表示物體表面，但會(huì)降低渲染的速度并占用更多內(nèi)存。如果該值保持默認(rèn)值0，則OpticStudio會(huì)自動(dòng)根據(jù)物體的尺寸選擇一個(gè)合適的弦公差，以快速地渲染物體的形狀。同樣的，弦公差的值不會(huì)影響光線追跡的計(jì)算精度。

光線追跡的精度與速度

所要導(dǎo)入的物體是由多個(gè)平面構(gòu)成時(shí)，推薦使用STL格式，而所要導(dǎo)入的物體由光滑連續(xù)的表面組成時(shí)，推薦使用IGES、STEP和SAT格式。

并不是所有類型的表面形狀使用CAD文件格式（例如IGES、SAT、STEP）都可以得到足夠的光線追跡精度。對(duì)于平面、球體和圓柱體來說，在正確設(shè)置的情況下使用CAD格式可以具有很高的光線追跡精度。然而對(duì)于高階的面型來說，CAD格式通常無法高精度地表示這些表面。

例如，對(duì)于一個(gè)具有r的十六階項(xiàng)的非球面來說，CAD格式的文件無法準(zhǔn)確地對(duì)該表面進(jìn)行描述。在這種情況下，CAD軟件一般會(huì)使用一條分段的曲線進(jìn)行近似擬合，這是一個(gè)使用多個(gè)低階曲線進(jìn)行分段擬合的方法。一般使用多個(gè)三階或四階多項(xiàng)式所對(duì)曲面進(jìn)行近似描述。這樣做的精度對(duì)于機(jī)械設(shè)計(jì)來說是足夠的，但是當(dāng)進(jìn)行光線追跡需要曲面精確度在亞波長量級(jí)的情況，這樣的低階多項(xiàng)式精度是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。

這個(gè)問題通常出現(xiàn)在我們?cè)贠pticStudio中進(jìn)行高光學(xué)精度的表面建模后，使用CAD文件導(dǎo)出該表面，然后再重新導(dǎo)入該CAD文件進(jìn)行光線追跡的情況。例如，當(dāng)OpticStudio將內(nèi)置的非球面以CAD樣條曲線的形式導(dǎo)出時(shí)，零件的光學(xué)精度就會(huì)損失。

對(duì)于非成像系統(tǒng)中光學(xué)元件，以及對(duì)機(jī)械元件進(jìn)行雜散光分析時(shí)，CAD文件的精度一般滿足需求。然而對(duì)于成像系統(tǒng)來說，我們需要格外注意導(dǎo)入的CAD零件是否能足夠準(zhǔn)確地表示您想要的面型。需要注意的是，OpticStudio在進(jìn)行內(nèi)部光線追跡時(shí)的精度大約在1E-12量級(jí)，而CAD物體的精度則要低多個(gè)數(shù)量級(jí)。

對(duì)于球面透鏡這樣的簡單物體來說，如果使用CAD格式的文件導(dǎo)入后進(jìn)行光線追跡，會(huì)比使用相同的OpticStudio內(nèi)置面型進(jìn)行光線追跡的速度慢很多。因此通常來講，我們應(yīng)盡可能使用OpticStudio的內(nèi)置面型進(jìn)行建模。導(dǎo)入的CAD物體的光線追跡速度很大程度上取決于文件中對(duì)物體形狀的表示方法。

對(duì)于同一個(gè)物體來說，在OpticStudio所支持的CAD格式中也可能有無窮多種表示方式。例如，其中一種有效的表示方法也許只需要幾條樣條曲線就可以描述一個(gè)物體的形狀；而不太實(shí)用的表示方法則可能需要成百上千條更小的樣條曲線來模擬這個(gè)物體。雖然從機(jī)械建模的角度來看，兩種方式都是有效的，而且都能生成相同的物體，但是有龐大數(shù)量的樣條曲線表面會(huì)嚴(yán)重影響光線追跡的速度。唯一的改進(jìn)的辦法是回到CAD文件中，查看有沒有更加有效的表示物體的方式。根據(jù)我們的經(jīng)驗(yàn)，通過調(diào)整CAD導(dǎo)出程序得到不同的物體表示方法，可以使光線追跡速度或者物體尺寸產(chǎn)生幾個(gè)數(shù)量級(jí)的差異。

參考文獻(xiàn)

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