Ansys Zemax光學(xué)設(shè)計軟件技術(shù)教程：如何編寫ZPL宏：計算環(huán)帶垂軸色差

w**elab86_Swsp

2023年4月21日 09:23

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本文介紹如何使用Zemax編程語言 (ZPL) 創(chuàng)建宏來計算和繪制用戶自定義的性能指標(biāo)。在本示例中，系統(tǒng)的環(huán)帶垂軸色差 (Zonal Transverse Chromatic Aberration, ZTCA) 將被分析。在解釋了需要使用的基本算法之后，本文將描述如何將宏通用化以允許用戶進(jìn)行更加靈活的使用，包括用戶輸入和錯誤捕獲。作者 Alessandra Croce附件下載文章附件簡介假設(shè)我們要計算系統(tǒng)的環(huán)帶垂軸色差 (ZTCA)。ZTCA作為光瞳區(qū)域的函數(shù)，定義為兩個波長在像平面上的光線高度差ZTCA = YF - YC基本算法如下：

定義步進(jìn)式光瞳區(qū)域
對應(yīng)追跡每個波長的邊緣光線
減去y坐標(biāo)
輸出結(jié)果

我們建議在編寫ZPL宏時將采用以下編程規(guī)范，使宏更易于閱讀：

將所有變量寫成小寫形式
將所有ZPL函數(shù)和關(guān)鍵字寫成大寫形式
對IF和FOR循環(huán)采用文本縮進(jìn)
賦予變量有意義的名稱（例如 ray_angle 而不是 a）
使用描述性注釋（例如使用 ! 或 #）

為了使宏更易于閱讀，OpticStudio具有內(nèi)置的文本編輯器，將語法突出顯示：

Ansys Zemax光學(xué)設(shè)計軟件技術(shù)教程：如何編寫ZPL宏：計算環(huán)帶垂軸色差的圖1

初版宏的編寫對于此示例，我們將使用示例文件<Documents>\Zemax\Samples\Sequential\Objectives\ Doublet.zmx。將此文件加載到OpticStudio中，然后單擊“編程“ (Programming)...新建宏 ( New Macro)”： Ansys Zemax光學(xué)設(shè)計軟件技術(shù)教程：如何編寫ZPL宏：計算環(huán)帶垂軸色差的圖2

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輸入以下代碼，以根據(jù)之前描述的算法流程來計算環(huán)帶垂軸色差 (ZTCA) ： Ansys Zemax光學(xué)設(shè)計軟件技術(shù)教程：如何編寫ZPL宏：計算環(huán)帶垂軸色差的圖3

使用功能區(qū)上的第二個按鈕將宏另存至<Documents>\Zemax\Macros folder，命名為“ZTCA1.zpl“。 Ansys Zemax光學(xué)設(shè)計軟件技術(shù)教程：如何編寫ZPL宏：計算環(huán)帶垂軸色差的圖4

然后，從“編程 (The Programming tab) ”選項(xiàng)卡中，從“宏列表 (Macro List) ”下拉菜單中選擇已保存的宏，或者從“編輯/運(yùn)行 (Edit/Run) ”中選擇它，然后單擊“運(yùn)行 (Run) ”。 Ansys Zemax光學(xué)設(shè)計軟件技術(shù)教程：如何編寫ZPL宏：計算環(huán)帶垂軸色差的圖5

Ansys Zemax光學(xué)設(shè)計軟件技術(shù)教程：如何編寫ZPL宏：計算環(huán)帶垂軸色差的圖5

運(yùn)行宏時，將出現(xiàn)一個新的文本窗口，其中包含宏的輸出。在本示例中，輸出結(jié)果為環(huán)帶垂軸色差ZTCA，作為光瞳區(qū)域的函數(shù)： Ansys Zemax光學(xué)設(shè)計軟件技術(shù)教程：如何編寫ZPL宏：計算環(huán)帶垂軸色差的圖6

Ansys Zemax光學(xué)設(shè)計軟件技術(shù)教程：如何編寫ZPL宏：計算環(huán)帶垂軸色差的圖6

請注意，此宏文件需要基于許多假設(shè)，確保宏能夠正常運(yùn)行：

邊界波長是 1 和 3
步進(jìn)數(shù)為 10
它僅計算軸上視場的環(huán)帶垂軸色差ZTCA
無錯誤檢查功能

如果只有一個波長怎么辦？

讓我們改進(jìn)宏，使其可以與其他文件一起使用。通用宏的編寫用戶自定義的步進(jìn)數(shù)我們可以使用 INPUT 關(guān)鍵字提示用戶輸入步進(jìn)數(shù)，而不是使用固定值 10。在宏的開頭，刪除賦值“numsteps = 10”并按如下方式使用 INPUT ： Ansys Zemax光學(xué)設(shè)計軟件技術(shù)教程：如何編寫ZPL宏：計算環(huán)帶垂軸色差的圖7

Ansys Zemax光學(xué)設(shè)計軟件技術(shù)教程：如何編寫ZPL宏：計算環(huán)帶垂軸色差的圖7

運(yùn)行宏時，“ ZPL宏輸入 (ZPL Macro Input) ”窗口將出現(xiàn)： Ansys Zemax光學(xué)設(shè)計軟件技術(shù)教程：如何編寫ZPL宏：計算環(huán)帶垂軸色差的圖8

IF 語句通過函數(shù) INTE() 測試numsteps是否為正整數(shù)，該函數(shù)將會對數(shù)值進(jìn)行四舍五入。GOTO 命令OpticStudio使用指定的LABEL命令將程序跳至某一行（向前或向后）。在這種情況下，我們使其跳到程序的結(jié)尾：

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盡管 END 在使用子例程時才被嚴(yán)格要求，但是使用它來指示宏的執(zhí)行在何處終止是一個良好的編程習(xí)慣。適應(yīng)不同的波長接下來，我們可以要求宏確定臨界波長（最小和最大），并將其用于光線追跡中。如果文件中僅定義了一個波長，我們也可以要求宏返回錯誤消息：

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現(xiàn)在，用于光線追跡的波長是minwav和maxwav，因此在 FOR 循環(huán)中，將行：RAYTRACE 0, 0, 0, py, 1RAYTRACE 0, 0, 0, py, 3用以下兩行替換：RAYTRACE 0, 0, 0, py, minwavRAYTRACE 0, 0, 0, py, maxwav錯誤檢查最后，我們可以使用 RAYE() 檢查光線追跡期間的錯誤。因此，代碼變?yōu)椋?img src="https://support.zemax.com/hc/article_attachments/1500007668961/KA-01953_11_ZTCA2error.png" alt='Ansys Zemax光學(xué)設(shè)計軟件技術(shù)教程：如何編寫ZPL宏：計算環(huán)帶垂軸色差的圖11' referrerpolicy='origin-when-cross-origin' />將宏另存為ZTCA2.ZPL并測試代碼正確性，確保您測試了每種錯誤情況：

用戶定義的步進(jìn) < 1 或非整數(shù)
僅1個波長
光線錯誤

以下是20個光瞳區(qū)域的宏輸出： Ansys Zemax光學(xué)設(shè)計軟件技術(shù)教程：如何編寫ZPL宏：計算環(huán)帶垂軸色差的圖12

繪制數(shù)據(jù)除了輸出數(shù)據(jù)外，我們還可以使用 PLOT 或 PLOT2D 關(guān)鍵字來繪制數(shù)據(jù)。 PLOT 支持一個自變量和一個因變量，而 PLOT2D 支持兩個自變量和一個因變量。這兩個關(guān)鍵字都允許用戶充分控制繪圖格式，例如：

標(biāo)題，坐標(biāo)軸圖例
X,Y 軸刻度
注釋
數(shù)據(jù)點(diǎn)和擬合線：顏色、樣式、大小
窗口縱橫比

為了能夠繪制數(shù)據(jù)，首先需要聲明兩個數(shù)組變量：一個用于光瞳坐標(biāo)，一個用于環(huán)帶垂軸色差ZTCA。在用戶輸入和錯誤檢查代碼之后添加數(shù)組聲明：DECLARE pupil, double, 1, (numsteps + 1)DECLARE ztca, double, 1, (numsteps + 1)然后，在主循環(huán)內(nèi)，您需要將值存儲在先前聲明的數(shù)組中，而不是將其輸出到屏幕上。這意味著將此行：PRINT "Pupil zone = ", py, " ZTCA = ", yf-yc用下兩行替換：pupil(i+1) = pyztca(i+1) = yf-yc最后，在主循環(huán)之后添加代碼以創(chuàng)建繪圖：PLOT NEWPLOT BANNER, "ZTCA vs Py"PLOT TITLE, "Zonal Transverse Chromatic Aberration"PLOT TITLEX, "Normalized Pupil Coordinate (Py)"PLOT TITLEY, "ZTCA (mm)"PLOT RANGEX, 0, 1PLOT RANGEY, -0.005, 0.005PLOT DATA, pupil, ztca, (numsteps + 1), 1, 2, 0PLOT GOPLOT DATA 用于定義要繪制的一系列數(shù)據(jù)點(diǎn)。它需要以下參數(shù)：

x_array, y_array, #points, color, style, options

在本例程中顏色 1 = 藍(lán)色 (Color 1 = blue), 樣式 2 = 虛線 (style 2 = dashed), 可選項(xiàng) 0 = 無數(shù)據(jù)點(diǎn)標(biāo)記 (option 0 = no data point markers)。PLOT 語法的完整說明可以在幫助文件部分的編程選項(xiàng)卡 (The Programming Tab) > 關(guān)于ZPL (About the ZPL) > 關(guān)鍵字（關(guān)于zpl） (KEYWORDS (about the zpl) ) > 繪圖 (PLOT) 中進(jìn)行了描述。現(xiàn)在將宏另存為ZTCA3.zpl并運(yùn)行它。該宏將產(chǎn)生以下繪圖： Ansys Zemax光學(xué)設(shè)計軟件技術(shù)教程：如何編寫ZPL宏：計算環(huán)帶垂軸色差的圖13

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