简介

Optiland 是一个开源的python光学模拟软件包，可以用来部分替代Zemax。这个工具包正在快速更新中，目前我看还缺几个关键部分：衍射模拟、渐变折射率曲面。但其他的部分已经不错了，在眼视光领域应该是具有一定的实用性。

这个开源项目的地址是：https://github.com/HarrisonKramer/optiland

vibe coding 方法

现在很多程序可以通过AI来写，你完全可以将上述github地址导入进AI让它来帮你撰写，
比如，在豆包中

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可以点击"</>编程"这个按钮，然后就会出现github的章鱼猫图标

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然后在弹出的窗口中贴入optiland的地址，点选添加链接，就可以让豆包AI来帮你写光学模拟程序了。

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然后你大概可以直接跟豆包AI说：“帮我写一个Gullstrand模型眼”。

古法编程

接下来为了熟悉这个工具包，我们使用古法手工编程。我得先假定你已经会用python建立虚拟环境之类，如果不知道如何做的话，最好学一下比如conda、uv之类的东西，或者能够用某个在线jupyter notebook来弄，不然可能会把你的python环境弄得很混乱。

  • 安装: pip install optiland
  • 打开你的编辑器，建立一个新文件
  • 先导入一些库
from optiland.optic import Optic
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
from optiland.materials import AbbeMaterial
from optiland import analysis, optimization, solves
from optiland.mtf import FFTMTF
from optiland.solves.quick_focus import QuickFocusSolve
  • 与zemax非常相似，在optiland中，要先对整个模拟的环境进行一些设定，比如光瞳、波长、视场角等。这里我们设定系统的光瞳是随瞳孔自动变化的，叫做float_by_stop_size
eye = Optic()
eye.set_aperture(aperture_type="float_by_stop_size", value = 4 )
eye.add_wavelength(value = 0.550)
eye.set_field_type(field_type = 'angle')
eye.add_field(y=0)
  • 在optiland的sample中，没有仔细讲如何自定义材料的折射率，但在眼视光领域，常用的“材料”是角膜、房水、晶状体、玻璃体等等，并非是常见的玻璃材料，所以自定义的方法还是要介绍一下：
    • 与眼视光最相关的可能是AbbeMaterial和IdealMaterial，其中AbbeMaterial是可以定义折射率和阿贝数，IdealMaterial则是直接定义折射率和k(不知道是啥）。
# material
material_aqueous = AbbeMaterial(n=1.336981, abbe=52.658991)
material_cornea = AbbeMaterial(n=1.376981, abbe=56.279936)
material_vitreous = AbbeMaterial(n=1.335982, abbe=53.342173)
  • 接下来就是把一个面一个面加入到这个模拟系统之中。在常见的光学软件中，是按光学面来操作的，而不是按“镜头”，通常一个镜头会带有两个面，比如角膜，就要描述角膜的前表面和角膜的后表面，而角膜的后表面其实就是房水的前表面。
    • 在描述每一个面的时候，要说明这个界面的参数，比如这个面的曲率半径raidus，这个面的口径aperture，这个面之后介质的折射率（比如角膜后表面的折射率应当是房水的），还有这个面到下一个面的厚度。
    • 特别的，如果一个面是瞳孔，需要用is_stop=Ture来指明。
eye.add_surface(index = 0 , radius = np.inf, thickness =np.inf, comment = 'Object')
eye.add_surface(index = 1, comment = 'Phoropter',
                surface_type = 'paraxial',
                thickness = 12, f = np.inf
                )
eye.add_surface(index = 2 , comment = 'Cornea',
                surface_type='standard',
                radius = 7.70, thickness = 0.55,
                material=material_cornea,
                aperture=8)
eye.add_surface(index = 3 , comment = 'Aqueous',
                surface_type='standard',
                radius = 6.80, thickness = 3.6,
                material=material_aqueous,
                aperture=8)
eye.add_surface(index = 4, comment = 'Pupil',
                surface_type='standard',
                radius = np.inf, thickness = 0,
                material=material_aqueous,
                aperture = pupil_size,
                is_stop=True)
eye.add_surface(index = 5 , comment = 'Lens front',
                surface_type='standard',
                radius = 10.0, thickness = 0.546,
                material=AbbeMaterial(n=1.386, abbe=50.23),
                aperture=8)
eye.add_surface(index = 6 , comment = 'Lens front core',
                surface_type='standard',
                radius = 7.91, thickness = 2.419,
                material=AbbeMaterial(n=1.406, abbe=50.23),
                aperture=8)
eye.add_surface(index = 7 , comment = 'Lens back core',
                surface_type='standard',
                radius = -5.76, thickness = 0.635,
                material=AbbeMaterial(n=1.386, abbe=50.23),
                aperture=8)
eye.add_surface(index = 8 , comment = 'Vitreous',
                surface_type='standard',
                radius = -6.0, 
                thickness = 17.185,
                material=material_vitreous,
                aperture=8)
eye.add_surface(index = 9 , comment = 'Retina',
                surface_type='standard',
                radius = -12.0, thickness =0,
                aperture=8)

如果运行eye.info()，会有如下的输出：
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执行eye.draw(num_rays=10)，则可以绘图：
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  • Gullstrand是一个正视眼的模型，而非一个近视眼模型，但正视眼在眼视光里没啥作用，所以为了后续简单调整眼轴，我加入了一个“综合验光仪” Phoropter，放入了一个理想的近轴近似面，这样我可以先在综合验光仪上设定一个近视度数，再调整玻璃体腔的厚度，使光线还能聚焦到视网膜上，不就得到了一个比较粗糙的近视眼模型了么。
    • 首先，我们设定一个-10D的近视状态。当前还没有更改玻璃体腔厚度，所以现在看起来光线并未聚焦到视网膜上
eye.surface_group.surfaces[1].f = 1000/(-10.0)
eye.info()
eye.draw(num_rays=10)

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我们在这一步练习优化

problem = optimization.OptimizationProblem()
problem.add_variable(eye, "thickness", surface_number = 8, min_val=10, max_val=20)

input_data = {
        "optic": eye,
        "surface_number": -1,
        "Hx": 0,
        "Hy": 0,
        "num_rays":16,
        "wavelength": 0.550,
        "distribution": "uniform",
}
problem.add_operand(
        operand_type = "rms_spot_size",
        target=0.0,
        weight =10,
        input_data=input_data,
)

optimizer = optimization.OptimizerGeneric(problem)
optimizer.optimize()

optimized_thickness = problem.variables[0].value

可以看出玻璃体腔的厚度已经变成了20mm
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计算出玻璃体厚度以后，就可以把综合验光仪设定回平光的状态了。可以看到平行光聚焦到视网膜前面了。

eye.surface_group.surfaces[1].f = np.inf
eye.info()
eye.draw(num_rays=10)

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  • 然后我们可以进行一些分析
spot = analysis.SpotDiagram(eye, num_rings=10, distribution="hexapolar")
spot.view()
fft_mtf = FFTMTF(eye, max_freq=100, wavelength=0.550,num_rays=512)
fft_mtf.view()


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