ZEMAX宏编程实战：环带垂轴色差计算技巧

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。

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：

1. 定义步进式光瞳区域
2. 对应追迹每个波长的边缘光线
3. 减去 y 坐标
4. 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：
 

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