本文是2019年同名博文的更新版本。就像在那里说的，光学计算是一个非常宽泛的话题，把所有的库放在一起，倒是具有一种全栈(full-stack)工程师的气质，可是好像很容易造成Stack Overflow。

这次，我尝试对这些代码进行简单的分类。因为我不属于光学前端工程师1，也不属于光学后端工程师1，而更像是光学系统运维1，分类得大概并不算准确。

物理光学演示：LightPipes

正像我之前说的那样，我使用opticspy/lightpipes完成了一部分激光物理过程的模拟，这个库大体上能够满足我当时的要求。但是要注意的是，个人感觉这个库是为了物理实验、教学演示而设计的，揭示原理的部分多于实际计算的部分，而且计算是序列化的。或许把它理解成类似虚拟物理实验室更好？

不过如果能力足够的话，大概能在上面实现一些比较复杂的功能。而且话又说回来，真正有一些严肃需求的人，早就去求助一些商业软件了。

光线追迹（Ray Tracing）

在上次的博文里，在光线追迹方面，我曾经介绍过Sterncat/opticspy，RayOpt和cihologramas/pyoptools，其中，前两组大概已经停止更新了，反而pyoptools看起来处于活跃开发的阶段。另外，这次我还看到了三个新鲜面孔：mjhoptics/ray-optics、mess42/pyrate和bryancole/raypier_optics2。

ray-optics

ray-optics的Qt界面

序列化的光线追迹，或成像光学，完成度很高，甚至自带一个类似Zemax的界面。在其手册上提到：

Rethink how image forming optical calculations are done absent historical constraints on computer speed and memory.

我学不会光学设计肯定是因为软件历史包袱太重，嗯。

Raypier

非序列的光学追迹，在几何光学传输的基础上增加了一部分高斯光束和衍射效应，并且可以（通过VTK）生成一些漂亮的三维模型。（之后我一定要想办法成功安装……）

文档在这里。

pyrate

正在写这篇博文的时候，我发现了这一套代码，似乎可以与FreeCAD互动，但是更具体的功能和特性还没有仔细看。毕竟我还没找到文档在哪里……

pyoptools

大概还在紧张地开发之中，等文档写好之后我会再回来看看的。

另：ricktu288/ray-optics

当然不是用Python编写的，但是谁不喜欢开箱即用的玩具呢？

另：Beam4及其他

也许代码就像蘑菇一样，找到一个又有另外两个出来。Beam4是用Java编写的，但看起来成熟度比这里的很多库高得多，比如将要提到的两个。

我把tracepy、odak和optcom列在这里，只是为了之后不要重新发现它们了。求求你们好好写写文档吧……

光学设计：为望远镜/日冕仪准备的Python

你想学习怎样设计日冕仪吗？

詹姆斯·韦伯空间望远镜的光学设计，来自poppy

就像所有的专业软件一样，如果你理解了整个物理过程，中间的示意图就并不是那么重要了。这样的库包括：

  1. brandondube/prysm (examples)
  2. spacetelescope/poppy
  3. ajeldorado/falco-python3
  4. ehpor/hcipy (examples)

等。

它们大概都能够计算光学系统的点扩散函数（PSF）、调制传递函数（MTF）、点列图之类的，而优化算法似乎欠奉4。如果你对上面的一系列名词不大了解的话，建议和我一起补习《光学系统设计》。

我逐渐理解一切

这些库的对比可以看这里。5如果你真的想设计日冕仪的话也可以读一读这篇文献，那里对设计方法也有一些介绍。

就我而言，我比较喜欢HCIPy，至少这里面还包含一些传递过程的内容，不至于直接跳到结论，和上个部分的库们更加接近一些。

另一类光线追迹

这种的主要目的是为了让自己的文章显得更好看，所以我就直接放两张图：

Raysect生成的，就好像杂志封面一样

光线追迹——用inkscape更简单的画图方式

电磁场级别的仿真

无论是用EME法求解模式的CAMFR，还是用FDTD法计算电磁场的meep，都远远超出了我的能力，请有识之士自行判断。

激光谐振腔的简单计算

rezonator、simcav/simcav等，或许过于简单了，可能LightPipes能做的事情还要更多一些。

大气光谱学

请移步这里和这里。

其他

pyNLO

  • PyNLO：与非线性光学有关，大概是SNLO的某种代替品。
  • Jomiri/pyfiberamp：有关掺Er光纤激光器的计算。没有什么用处。
  • AOtools/soapy：用于自适应光学过程的模拟，另有一组用于分析的库。
  • Finesse and PyKat：为了LIGO设计的语言，用于引力波探测器的光路设计。这次我依旧没有看懂。
  • OASYS：如果X射线也是光的话，那么WOFRY也是光学计算。
  • laserbeamsize：一个完善的激光光斑直径和$M^2$计算库。

总之祝大家好运吧。如果有条件的话，还是尽量使用商业软件。Seriously.

  1. 据我了解并不存在前两种职业。而运维在哪里都存在。 ↩︎ ↩︎ ↩︎

  2. 感觉这些既会光学又会Python的人，在起名字方面都没有什么创意。 ↩︎

  3. A J Eldorado Riggs, Garreth Ruane, Erkin Sidick, Carl Coker, Brian D. Kern, Stuart B. Shaklan, "Fast linearized coronagraph optimizer (FALCO) I: a software toolbox for rapid coronagraphic design and wavefront correction," Proc. SPIE 10698, Space Telescopes and Instrumentation 2018: Optical, Infrared, and Millimeter Wave, 106982V (9 August 2018); https://doi.org/10.1117/12.2313812，PDF文件 ↩︎

  4. 如果尝试优化的话，可以看看doi:10.1016/j.ijleo.2018.10.073 ↩︎

  5. Ruane, G., “Review of high-contrast imaging systems for current and future ground- and space-based telescopes I: coronagraph design methods and optical performance metrics”, in Space Telescopes and Instrumentation 2018: Optical, Infrared, and Millimeter Wave, 2018, vol. 10698. doi:10.1117/12.2312948. ↩︎