如何匯入CAD物件


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總結:此篇文章描述如何使用下列檔案格式匯入CAD物件到Zemax
● STL
● IGES
● STEP
● SAT

根據你所使用的CAD程式選擇要使用CAD檔案格式。STL格式適合那些原始形狀為多面的物件,或是當你準備使用光固化成形法來產生快速原型的時候使用。IGES 及 STEP是CAD交換標準,您可以依據你的CAD程式匯出程序的品質來選擇。假如你的CAD程式是以ACIS圖形引擎為基礎,SAT格式將會被採用。

原文作者:Mark Nicholson
原文發布時間:September 13, 2005
原文連結:How to import CAD objects

匯入CAD物件
匯入CAD物件到Zemax內的能力是非常重要的,尤其是從鏡座而來的反射及散射,在執行複雜的光學機械雜散光模擬,是很關鍵的。在照明系統也相當重要,光將會導引進到一個複雜形狀的光導管,例如像是在汽車儀表板設計。Zemax擁有強而有力及靈活的CAD匯入能力及支援常見的CAD交換格式。
因為CAD物件可以是任意複雜形狀,一個光線或許可與此物件互動多次。因此,我們使用非序列的光線追跡來描述光線與CAD物件間的互動。藉由使用混合模式的非序列光線追跡,CAD物件可以簡單地被包含在其他的序列光學系統。
Zemax支援四個CAD格式:STL、IGES、STEP及SAT。四個之中,只有STL使用平面(facets)來呈現物件:其他三個格式模型物件像一個平滑、連續的表面形狀。平面只有在用來在螢幕上繪製物件時使用。因此光線追跡對於連續的、平滑的CAD表面是精準的,至少精準到CAD模型本身精度的限制,而不是受限於那些用來繪製物件的平面。
了解Zemax支援平面物件是很重要的,在大部分平面個案只有為渲染目的而使用,及利用真實表面形狀來使光線追跡精準。

STL 格式
STL (光固化曲面細分語言)格式在快速原型中被廣泛使用,並允許一般形狀的簡易定義。物件的呈現建立在三角網孔基礎上,其物件表面形狀是用一組三角平面來近似。

參考1 提供一個有用的STL格式概述。在STL檔案裡的每一個平面由{x,y,z}三軸及表面法向量來定義。舉例來說,在範本的前幾行,.stl檔案由AutoCAD產生:
solid AutoCAD
facet normal 0.0000000e+000 0.0000000e+000 1.0000000e+000
outer loop
vertex 6.0000000e+000 4.0000000e+000 6.0000000e+000
vertex 6.0000000e+000 6.0000000e+000 6.0000000e+000
vertex 4.0000000e+000 6.0000000e+000 6.0000000e+000
endloop
endfacet
facet normal 0.0000000e+000 0.0000000e+000 1.0000000e+000
outer loop
vertex 6.0000000e+000 4.0000000e+000 6.0000000e+000
vertex 4.0000000e+000 6.0000000e+000 6.0000000e+000
vertex 4.0000000e+000 4.0000000e+000 6.0000000e+000
endloop
endfacet


(注意Zemax同時可以匯入ASCII及二進位格式的STL檔案)。STL的面性使它非常適合模擬某些類型的物件,像是多面反射器或是稜鏡。然而,STL不擅於模擬平滑彎曲物件,因曲面細分的誤差可能影響光線追跡精度。
STL物件利用STL物件種類來匯入。此.stl檔案必須被置放在{Zemaxroot}/Objects文件夾裡。(如果您使用OpticStudio,您可以在 “{User}\Documents\Zemax\Objects\CAD Files” 裡面找到。)
http://forum.zemax.com/Uploads/Images/92f80c02-dae6-4996-92e2-d67b.gif

一旦匯入會像其他物件一樣被置放在系統中。
在此範本中,稜鏡準確地被平面精準的模擬,但球面只有近似而已:
http://forum.zemax.com/Uploads/Images/e61ef845-9465-4a8b-be5e-13d.jpeg

球面由三角網格近似而成:
http://forum.zemax.com/Uploads/Images/74050ec3-7fdb-4c42-9a3e-9574.gif

在這個例子中,在螢幕上被描繪的平面是完全、確實的從STL檔案裡產生的,而光線就是與這一系列的平面互動。

IGES 格式
初始圖形交換標準(The Initial Graphics Exchange Specification,簡稱IGES)是一套美國國家標準,其預期目標是便於轉換CAD程式之間的資料。Zemax目前支援IGES標準 5.3版本。更多有關於IGES資訊,請見參考2
IGES物件被存放在 {Zemaxroot}/objects folder (或是 “{User}\Documents\Zemax\Objects\CAD Files” ) 並使用 “imported” 物件以匯入 (如果您使用 OpticStudio,您可能要選擇的物件名稱為CAD Part: STEP/IGES/SAT):
http://forum.zemax.com/Uploads/Images/1d490d3d-ef66-4e53-a5e3-ec99.gif

這個物件是從SolidWorks匯出的:
http://forum.zemax.com/Uploads/Images/9f11b714-4fdc-4bdf-8983-0ff6.gif

現在,無論是什麼型式,這個物件都是被SolidWorks以認為最適合的形式匯出的,它很可能是以NURBS3型式匯出的 。NURBS3使用平面來渲染在螢幕上,因為IGES物件可以極為複雜。
http://forum.zemax.com/Uploads/Images/567f62a5-8d41-4957-8ebf-81e4.gif

很重要、必須要了解的是,Zemax使用這些平面只有唯一理由:描繪物件在螢幕上。IGES物件在內部被呈現為精準的、平滑的物件,而非一系列的平面像是STL物件。
有一組屬性你可以用來控制匯入的CAD物件。這些控制也適用在STEP 和 SAT物件:


屬性為:
材料-每一個物件只可以適用一個材料。像一個咖啡壺包含一個玻璃罐、塑膠蓋、塑膠手把、鋁製環可以固定手把到瓶,及一些金屬螺絲可以鎖住手把至環。而這些物件應該從CAD套裝分別地被匯出,然後再個別的匯入到Zemax。接者,每個子物件可以被給予適當的光學屬性。透過設定相對物件參考,允許所有物件可以被相對定位到一個主物件上,所以整個咖啡壺可以被當作一個單一物件來移動和旋轉。

刻度-是一個沒有維度的縮放參數,允許你增加或降低物件的大小。

模式標誌可以控制如何在設置時間與光線追跡速度之間取捨。使用模式1來應用快速的設置時間以及慢速的光線追跡,模式2來應用中速的設置時間及中速的光線追跡,模式3來應用慢速的設置時間及快速的光線追跡。一般在Zemax準備系統期間會使用模式1,然後再需要追跡大量光線以得到詳細分析時會用到模式3。請注意,精度不受選定的模式標誌而影響。只有光線追跡速度及物件初始加載時間會被影響。


X、Y與Z立體像素(體素)定義在物件內有多少體積元素被用來定義一個無形邊界盒。體素技術藉由預先計算一個給定的體素內的有哪些物件或是物件的一部分,而達到快速的光線追跡。一個光線進入到一個體素化的空間或許只跟一些體素總數的子集合交錯;因此只有這些體素需要被確認是否有光線-物件交叉點的可能性。更多數量的體素就需要更長的設置時間但光線追跡會越快。通常需要一些實驗來決定最佳的體素數量。注意精度不會被體素所影響。只有光線追跡速度和描繪物件所需的記憶體會被影響。

弦公差影響的只有佈局圖內(layout plots)立方圖的渲染。為渲染立方體,Zemax轉化立方體到近似於該形狀的三角形列表。公差意味在一個三角形與實際立方體表面之間能允許的位距最大值,單位採用系統設定的鏡頭單元 (Lens Unit)。假如公差被設定為較小,更多三角形會被加入,產生更精確的渲染結果,但會犧牲速度及需要大量記憶體。設為零時,預設將會根據物件大小設定弦公差,目標是足以形成一個粗略相似的物件形狀,並且可快速地渲染。再一次,光線追跡的準確度不會因此設定而影響。

STEP 格式
產品模型數據交換標準(the Standard for the Exchange of Product Model Data,簡稱STEP),是一個完整定義的ISO標準(ISO 10303),其描述如何表示及交換數位產品資訊。參考4包含許多STEP的資訊。

對於Zemax使用者,在IGES與STEP選擇上不太有差別。兩者皆能在Zemax內執行,你在兩個標準間的選擇可能基於你的CAD程式匯出程序的品質。IGES為較舊的格式,許多CAD廠商使用他們自有的匯出翻譯器,導致在廠商間產生一些變異。STEP較新,大部分CAD廠商使用購入的函數庫,例如 “Step Tool”。這表示在不同CAD套裝軟體實現的STEP之間差異會比較小。

SAT 格式
由Spatial Technologies5開發的ACIS幾何模型引擎使用SAT格式。直接呈現ACIS建模的內部數據結構。這表示假設你加載一個SAT檔案到ACIS-based CAD程式,通常完全不會有任何轉譯發生:檔案直接加載而已。因此該檔案並非 “CAD交換” 格式,而是 “CAD” 格式而已。

假設你使用的是一個ACIS-based CAD程式,你最有可能使用.SAT檔案格式,或是完全不用使用它,如果不想用的話。此格式是一個平滑、持續的物件表示。用法正如同每個IGES 檔案格式。

準確性及光線追跡速度的評論
CAD套裝的物件利用STL物件輕易的匯入,用於多面物件。而用於平滑、持續的物件則使用GES, STEP 或SAT檔案格式匯入。

不是所有的表面形狀都可以很精準的利用CAD支援的檔案格式表示並適當地追跡光線, 例如IGES、SAT及 STEP這些格式。對於平面、球體、圓柱體、CAD呈現,假如操作是正確的,可以提供準確光線追跡很高的精度。然而,高階的形狀通常無法以CAD格式自然的呈現。

舉例來說,一個非球面表面多項式最高可以到r16次方,無法在所選的CAD格式中以同樣的方式呈現。CAD程式一般利用一個分段的spline3曲線來呈現近似的形狀,這個型態的曲線一般使用分段的低階多項式來擬合表面,通常使用第三或第四階多項式用來近似表面。這可能在機械的設計是合適的,但無法滿足光學上精密光線追跡的需求,光學上表面必須精確描述到比光的波長還小。

此問題通常發生在當一個高光學精密表面在Zemax被模擬,然後匯出成CAD檔案,接著匯入成一個給序列光線追跡用的CAD檔案的時候。當以一個CAD的spline曲線型式匯出原生Zemax非球面外型的時候,通常該元件的光學精密度會消失。

對於非成像光學以及匯入機械的零件來做雜散光分析時,CAD呈現的精確度通常是足夠的。對成像系統,必須極度小心來確認匯入的CAD零件,對於所需的形狀有適當的準確描述。請注意,Zemax內部在光線追跡上,其內部光學相對精確度達到1E-12,而大部分 CAD物件呈現比這個粗糙了好幾個數量級。

簡單的物件像是球型鏡頭,當以CAD格式匯入時,光線追跡速度會比匯入原生Zemax的相同形狀物件還要慢。一般而言,如果形式相同,始終使用Zemax的內建物件。匯入物件的光線追跡速度完全仰賴於匯入CAD檔中立體形狀有效率的呈現。

相同形狀的物件或許可以用幾乎無限種的方式來呈現,例如Zemax能匯入的CAD格式所支援各種固體及表面實體類型。舉例來說,一個物件或許使用一些Spline表面來有效率的呈現;而呈現效率低的物件或許會使用數百個較小的Spline表面。雖然從一個機械模型的觀點來看,這兩個表示法或許都有效,並且產生的固體相同,但擁有較多數量的Spline表面光線追跡會較慢。唯一補救方法是回到CAD檔案來源,查看是否可以建立有更有效率的方法呈現。我們曾經看過一些例子,藉由調校CAD程式輸出程序達到最高效率呈現,進而同時改善物件大小以及光線追跡速度好幾個數量級。

總結與參考資料
匯入CAD物件允許Zemax利用大部分機構CAD設計程式的優點。這對執行雜散光分析非常的重要,因為此時完整的光學-機械效應可被完全模擬。CAD匯入在廣泛的照明工作裡也很有用,包含汽車元件測試。

你所選擇的CAD格式取決於你使用的CAD程式。STL在使用多面的物件,或是使用光固化來產生快速原型時是較好的選擇。IGES及STEP為CAD交換標準,如何選擇,由你的CAD程式匯出程序的品質而定。當你的CAD程式是以ACIS 引擎為基準的話,將會被使用SAT格式。

延伸參考資料
1. http://www.mmsonline.com/articles/019704.html
2. http://www.nist.gov/iges
3. The NURBS Book, Second Edition, by Les Piegl and Wayne Tiller, Springer-Verlag, ISBN 3-540-61545-8.
4. http://www.steptools.com/
5. http://www.spatial.com/
ACIS 及 SAT 為Spatial Corporation註冊商標。


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