【Opticalpy】光線解析ライブラリOpticalpyのインストールと光源の設定方法[Python]

2025年7月4日

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Optically
Opticalpyのインストール
シーンの作成
光源の設置
CollimatedBeam
ConvergingBeam
DivergingBeam
WhiteRay
シーンや光源の中身

Optically

前回、HomebrewでpyenvをインストールしてPythonプログラミング環境の構築する方法を紹介しました。

Opticalpyのインストール

まずはOpticalpyをインストールしていきます。

インストールはいつも通りpipを使ってインストールできます。

pip install opticalpy

ちなみにこのOpticalpyライブラリを解説しているサイトはほとんどなく情報ソースは作者のGithubページだけだったりします。

GitHub

GitHub – AstroAure/Opticalpy: Exact geometrical optics including dispersion to learn and design opti… Exact geometrical optics including dispersion to learn and design optical instruments – AstroAure/Opticalpy

ということで何か困ったら上記のサイトを確認してみてください。

シーンの作成

Opticalpyで光線解析するにあたってまずすべきはシーンの作成です。

opticalpyを「op」という名前でインポートして、「scene = op.Scene()」でインスタンスを作成します。

この中に光学部品を入れていき、光学系を作成していきます。

また「scene.plot()」とすると光学系をプロットしてくれます。

import opticalpy as op

scene = op.Scene()

scene.plot()

実行結果

Sceneのインスタンスを作成する際、「xlim」と「ylim」で範囲を指定することもできます。

というよりも指定しない場合、Xの値の範囲も、Yの値の範囲も「0から1」というごく狭い範囲になりますので、ほぼ必須の引数です。

import opticalpy as op

scene = op.Scene(xlim=(-100, 100), ylim=(-50, 50))

scene.plot()

実行結果

光源の設置

次に光源を設置していきます。

光源にどんな種類があるかは「help(op.elems.beam)」で確認できます。

import opticalpy as op

print(help(op.elems.beam))

実行結果
Help on module opticalpy.elems.beam in opticalpy.elems:

NAME
    opticalpy.elems.beam

FUNCTIONS
    CollimatedBeam(
        aperture: float,
        wavelength: float | astropy.units.quantity.Quantity | list[astropy.units.quantity.Quantity | float] | numpy.ndarray = <Quantity 450. nm>,
        scene=None,
        group=None,
        origin: list[float] | numpy.ndarray = [0, 0],
        rotation: float | astropy.units.quantity.Quantity = <Quantity 0. deg>,
        N_sources: int = 20,
        hole: float = 0.0,
        label: str | None = 'Collimated'
    )

    ConvergingBeam(
        focal: float | astropy.units.quantity.Quantity,
        F: float,
        wavelength: float | astropy.units.quantity.Quantity | list[astropy.units.quantity.Quantity | float] | numpy.ndarray = <Quantity 450. nm>,
        scene=None,
        group=None,
        origin: list[float] | numpy.ndarray = [0, 0],
        rotation: float | astropy.units.quantity.Quantity = <Quantity 0. deg>,
        N_sources: int = 20,
        hole: float | astropy.units.quantity.Quantity = <Quantity 0. deg>,
        label: str | None = 'Converging'
    )

    DivergingBeam(
        angle: float | astropy.units.quantity.Quantity,
        wavelength: float | astropy.units.quantity.Quantity | list[astropy.units.quantity.Quantity | float] | numpy.ndarray = <Quantity 450. nm>,
        scene=None,
        group=None,
        origin: list[float] | numpy.ndarray = [0, 0],
        rotation: float | astropy.units.quantity.Quantity = <Quantity 0. deg>,
        N_sources: int = 20,
        hole: float | astropy.units.quantity.Quantity = <Quantity 0. deg>,
        label: str | None = 'Diverging'
    )

    WhiteRay(
        wavelengths: list[astropy.units.quantity.Quantity | float] | numpy.ndarray,
        scene=None,
        group=None,
        origin: list[float] | numpy.ndarray = [0, 0],
        rotation: float | astropy.units.quantity.Quantity = <Quantity 0. deg>,
        label: str | None = 'White'
    )

CollimatedBeam、ConvergingBeam、DivergingBeam、WhiteRayが準備されていますので、後で順に見ていきましょう。

ちなみに他の光学部品としては「op.elems」に格納されています。

import opticalpy as op

print(help(op.elems))

実行結果
Help on package opticalpy.elems in opticalpy:

NAME
    opticalpy.elems

PACKAGE CONTENTS
    beam
    filter
    grating
    lens
    material
    mirror
    telescope

今回は「beam」を紹介しますが、次回から他の光学部品に関しても紹介していきます。

CollimatedBeam

CollimatedBeamとは並行光の光源です。

最低限必要なのは「aperture」、つまりは開口サイズです。

import opticalpy as op

scene = op.Scene(xlim=(-50, 250), ylim=(-100, 100))

beam = op.elems.CollimatedBeam(aperture=10)

scene.plot()

実行結果

ただ実はこのままではプロットされなかったりします。

さらに必要なのが「scene = scene」という引数で、どのシーンに対して配置するか指定する必要があります。

import opticalpy as op

scene = op.Scene(xlim=(-50, 250), ylim=(-100, 100))

beam = op.elems.CollimatedBeam(aperture=10, scene=scene)

scene.plot()

実行結果

これで配置することができました。

これで「aperture」の値を変えると、ビームサイズが変わります。

import opticalpy as op

scene = op.Scene(xlim=(-50, 250), ylim=(-100, 100))

beam = op.elems.CollimatedBeam(aperture=50, scene=scene)

scene.plot()

実行結果

「aperture」はCollimatedBeam特有の引数ですが、ここからは他の光源でも使える引数だと思われます。

「hole=値」とすると光源の中心に穴が空いた光源となります。

import opticalpy as op

scene = op.Scene(xlim=(-50, 250), ylim=(-100, 100))

beam = op.elems.CollimatedBeam(aperture=50, scene=scene, hole=15)

scene.plot()

実行結果

「N_sources=値」で表示する光線の数を変えることができます。

import opticalpy as op

scene = op.Scene(xlim=(-50, 250), ylim=(-100, 100))

beam = op.elems.CollimatedBeam(aperture=50, scene=scene, N_sources=100)

scene.plot()

実行結果

「origin=[Xの値, Yの値]」で光源の座標を指定することができます。

import opticalpy as op

scene = op.Scene(xlim=(-50, 250), ylim=(-100, 100))

beam = op.elems.CollimatedBeam(aperture=10, scene=scene, origin=[100, 50])

scene.plot()

実行結果

「rotation=角度」で光源の角度を変えることができます。

import opticalpy as op

scene = op.Scene(xlim=(-50, 250), ylim=(-100, 100))

beam = op.elems.CollimatedBeam(aperture=10, scene=scene, rotation=45)

scene.plot()

実行結果

「wavelength=波長」で波長を変えることができます。

import opticalpy as op

scene = op.Scene(xlim=(-50, 250), ylim=(-100, 100))

beam = op.elems.CollimatedBeam(aperture=10, scene=scene, wavelength=625)

scene.plot()

実行結果

また波長は複数指定することもでき、range関数のように範囲で指定することも可能です。

import opticalpy as op

scene = op.Scene(xlim=(-50, 250), ylim=(-100, 100))

beam = op.elems.CollimatedBeam(aperture=10, scene=scene, wavelength=range(400, 701, 50))

scene.plot()

実行結果

ConvergingBeam

Converging Beamとは収束ビームのことで、ある一点でビームが点状となる光源のことです。

「op.elem.ConvergingBeam(focal = 焦点距離, F = 角度, scene = scene)」のように用います。

import opticalpy as op

scene = op.Scene(xlim=(-50, 250), ylim=(-100, 100))

beam = op.elems.ConvergingBeam(focal=100, F=0.5, scene=scene)

scene.plot()

実行結果

ちなみに角度は「angle = 2*np.rad2deg(np.arctan(0.5/F))」として計算されますので、「F = 0.5」のとき最大角として「±45°」から射出されることになります。

DivergingBeam

Diverging Beamとは発散ビームのことで、点光源から広がっていく光線になります。

使い方は「op.elems.DivergingBeam(angle=発散角, scene=scene)」です。

import opticalpy as op
import numpy as np

scene = op.Scene(xlim=(-50, 250), ylim=(-100, 100))

beam = op.elems.DivergingBeam(angle=20, scene=scene)

scene.plot()

実行結果

WhiteRay

WhiteRayは白色光のことですが、Opticalpyでは複数の波長をもった一点の光源として表されるようです。

そのため使い方は「op.elems.WhiteRay(wavelengths=波長範囲, scene=scene)」となります。

import opticalpy as op

scene = op.Scene(xlim=(-50, 250), ylim=(-100, 100))

beam = op.elems.WhiteRay(wavelengths=[400, 500, 600], scene=scene)

scene.plot()

実行結果

シーンや光源の中身

ここまでシーンや光源の設定方法を見てきましたが、どれも「scene」や「beam」のような変数に格納していました。

ということで中身は何だろうと覗いてみました。

import opticalpy as op

scene = op.Scene(xlim=(-50, 250), ylim=(-100, 100))

beam = op.elems.CollimatedBeam(aperture=10, scene=scene)

scene.plot()

print(beam)
print(scene)

実行結果
<opticalpy.optgroup.OpticalGroup object at 0x10c416030>
Rays   : Collimated/0, Collimated/1, Collimated/2, Collimated/3, Collimated/4, Collimated/5, Collimated/6, Collimated/7, Collimated/8, Collimated/9, Collimated/10, Collimated/11, Collimated/12, Collimated/13, Collimated/14, Collimated/15, Collimated/16, Collimated/17, Collimated/18, Collimated/19
Optics :