本文介绍如何使用Zemax编程语言 (ZPL) 创建宏来计算和绘制用户自定义的性能指标。 在本示例中,系统的环带垂轴色差 (Zonal Transverse Chromatic Aberration, ZTCA) 将被分析。在解释了需要使用的基本算法之后,本文将描述如何将宏通用化以允许用户进行更加灵活的使用,包括用户输入和错误捕获。
作者 Alessandra Croce
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简介
假设我们要计算系统的环带垂轴色差 (ZTCA)。ZTCA作为光瞳区域的函数,定义为两个波长在像平面上的光线高度差
ZTCA = YF - YC
基本算法如下:
- 定义步进式光瞳区域
- 对应追迹每个波长的边缘光线
- 减去y坐标
- 输出结果
我们建议在编写ZPL宏时将采用以下编程规范,使宏更易于阅读:
- 将所有变量写成小写形式
- 将所有ZPL函数和关键字写成大写形式
- 对
IF
和FOR
循环采用文本缩进 - 赋予变量有意义的名称 (例如 ray_angle 而不是 a)
- 使用描述性注释(例如使用 ! 或 #)
为了使宏更易于阅读,OpticStudio具有内置的文本编辑器,将语法突出显示:
初版宏的编写
对于此示例,我们将使用示例文件<Documents>\Zemax\Samples\Sequential\Objectives\ Doublet.zmx。将此文件加载到OpticStudio中,然后单击“编程“ (Programming)...新建宏 ( New Macro)”:
输入以下代码,以根据之前描述的算法流程来计算环带垂轴色差 (ZTCA) :
使用功能区上的第二个按钮将宏另存至<Documents>\Zemax\Macros folder,命名为“ZTCA1.zpl“。
然后,从“编程 (The Programming tab) ”选项卡中,从“宏列表 (Macro List) ”下拉菜单中选择已保存的宏,或者从“编辑/运行 (Edit/Run) ”中选择它,然后单击“运行 (Run) ”。
运行宏时,将出现一个新的文本窗口,其中包含宏的输出。在本示例中,输出结果为环带垂轴色差ZTCA,作为光瞳区域的函数:
请注意,此宏文件需要基于许多假设,确保宏能够正常运行:
- 边界波长是 1 和 3
- 步进数为 10
- 它仅计算轴上视场的环带垂轴色差ZTCA
- 无错误检查功能
- 如果只有一个波长怎么办?
让我们改进宏,使其可以与其他文件一起使用。
通用宏的编写
用户自定义的步进数
我们可以使用 INPUT
关键字提示用户输入步进数,而不是使用固定值 10。在宏的开头,删除赋值“numsteps = 10”并按如下方式使用 INPUT
:
运行宏时,“ ZPL宏输入 (ZPL Macro Input) ”窗口将出现:
IF
语句通过函数 INTE()
测试numsteps是否为正整数,该函数将会对数值进行四舍五入。
GOTO
命令OpticStudio使用指定的LABEL命令将程序跳至某一行(向前或向后)。在这种情况下,我们使其跳到程序的结尾:
尽管 END
在使用子例程时才被严格要求,但是使用它来指示宏的执行在何处终止是一个良好的编程习惯。
适应不同的波长
接下来,我们可以要求宏确定临界波长(最小和最大),并将其用于光线追迹中。如果文件中仅定义了一个波长,我们也可以要求宏返回错误消息:
现在,用于光线追迹的波长是minwav和maxwav,因此在 FOR
循环中,将行:
RAYTRACE 0, 0, 0, py, 1
RAYTRACE 0, 0, 0, py, 3
用以下两行替换:
RAYTRACE 0, 0, 0, py, minwav
RAYTRACE 0, 0, 0, py, maxwav
错误检查
最后,我们可以使用 RAYE()
检查光线追迹期间的错误。 因此,代码变为:
将宏另存为ZTCA2.ZPL并测试代码正确性,确保您测试了每种错误情况:
- 用户定义的步进 < 1 或非整数
- 仅1个波长
- 光线错误
以下是20个光瞳区域的宏输出:
绘制数据
除了输出数据外,我们还可以使用 PLOT
或 PLOT2D
关键字来绘制数据。 PLOT
支持一个自变量和一个因变量,而 PLOT2D
支持两个自变量和一个因变量。这两个关键字都允许用户充分控制绘图格式,例如:
- 标题,坐标轴图例
- X,Y 轴刻度
- 注释
- 数据点和拟合线:颜色、样式、大小
- 窗口纵横比
为了能够绘制数据,首先需要声明两个数组变量:一个用于光瞳坐标,一个用于环带垂轴色差ZTCA。在用户输入和错误检查代码之后添加数组声明:
DECLARE pupil, double, 1, (numsteps + 1)
DECLARE ztca, double, 1, (numsteps + 1)
然后,在主循环内,您需要将值存储在先前声明的数组中,而不是将其输出到屏幕上。 这意味着将此行:
PRINT "Pupil zone = ", py, " ZTCA = ", yf-yc
用下两行替换:
pupil(i+1) = py
ztca(i+1) = yf-yc
最后,在主循环之后添加代码以创建绘图:
PLOT NEW
PLOT BANNER, "ZTCA vs Py"
PLOT TITLE, "Zonal Transverse Chromatic Aberration"
PLOT TITLEX, "Normalized Pupil Coordinate (Py)"
PLOT TITLEY, "ZTCA (mm)"
PLOT RANGEX, 0, 1
PLOT RANGEY, -0.005, 0.005
PLOT DATA, pupil, ztca, (numsteps + 1), 1, 2, 0
PLOT GO
PLOT DATA
用于定义要绘制的一系列数据点。它需要以下参数:
- x_array, y_array, #points, color, style, options
在本例程中颜色 1 = 蓝色 (Color 1 = blue), 样式 2 = 虚线 (style 2 = dashed), 可选项 0 = 无数据点标记 (option 0 = no data point markers)。
PLOT
语法的完整说明可以在帮助文件部分的编程选项卡 (The Programming Tab) > 关于ZPL (About the ZPL) > 关键字(关于zpl) (KEYWORDS (about the zpl) ) > 绘图 (PLOT) 中进行了描述。
现在将宏另存为ZTCA3.zpl并运行它。 该宏将产生以下绘图:
KA-01953
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