光學設計軟件產品教程培訓：Zemax 編程語言 (ZPL) 簡介

用戶可以使用Zemax編程語言 (Zemax Programming Language，ZPL)?在OpticStudio中編寫自己的程序。這些程序可以實現：

• 自動重復鍵盤和鼠標的操作

• 基于OpticStudio的數據進行計算

• 以特定格式輸出數據

• 以圖表或表格的形式生成數據

以及很多其它的功能！

創建ZPL宏程序非常簡單。本文概述了ZPL的主要功能、變量示例，描述了ZPL中重要的函數和關鍵詞。

作者 Dan Hill, updated by Alessandra Croce

簡介

ZPL是不區分大小寫的“宏”或“腳本”語言，并且是擴展OpticStudio計算范圍的最簡單方法。它是根據BASIC建模的，并且是一種解釋型語言。這意味著編寫ZPL宏非常容易，但是這也意味著進行復雜計算時，其執行速度要比完全編譯的代碼慢。

ZPL腳本可以調用OpticStudio中已編譯的函數（關鍵字和操作數），并且在以下情況下很實用：

• 當您需要特殊格式的數據

• 實現不在程序中的功能或計算，例如數據提取，導出或簡單繪圖

• 在沒有適當的操作數時進行優化（創建自定義操作數）

• 創建自定義/復雜求解（創建自定義求解）

• 自動重復鍵盤的操作

請注意，ZPL不能用于編輯用戶自定義表面或物體，若有需要，您可以使用DLL。

ZPL包含五個基本概念：變量 (variables)、運算符 (operations)、函數 (functions)、關鍵詞 (keywords)?和注釋?(comments)。以下將對這些概念進行介紹，可以在OpticStudio幫助手冊的“編程?(?Programming)?選項卡>?關于ZPL(About the ZPL)?”部分查閱更多信息。

ZPL的目標是為沒有太多編程經驗的光學工程師提供強大的編程工具，該工具可以快速執行，并且易于學習。OpticStudio還支持ZOS-API，這是API級別的接口，外部程序（例如Matlab或Python）可以通過ZOS-API訪問OpticStudio的功能。想要了解更多信息，請查看文章??。

賦值、變量和數組

基本的賦值語法為：

variable = expression

其中 “ = ” 意為“將值設為”。

變量可以是數值 (numeric)?或字符串 (string)，這取決于它們所包含的數據類型。表達式可以是確切值、其它變量或復雜的數學表達式/函數。只有數組變量需要在使用前聲明，因此例如?x = 7?無需提前聲明數字變量?x即可工作。如下有效賦值的示例：

x = 4
y = 3
z = x + y

字符串變量名稱中的最后一個字符必須帶有 $ 字符：

newstring$ = "Here is the new string"

變量始終保持為雙精度64位值。它們的名稱有一些必須遵守的限制。 變量名稱不應：

• 超過28個字符

• 包含用作運算符的任何特殊字符 (*, !, <, &, 等)

• 包含任何空格 (改為使用 “ _ ”)

• 與關鍵字或函數相同

數組

ZPL還支持數組（或向量）變量，有4個預定義的向量，分別稱為VEC1, VEC2, VEC3,和VEC4, 主要由其他命令（例如GETPSF,?GETMTF, 等）使用，它們的大小由SETVECSIZE?關鍵字設置。

用戶自定義數組變量必須在使用前用DECLARE?關鍵字聲明。它們最多可以由4維構成，并可以為雙精度或整數數據類型。必須使用RELEASE?關鍵字釋放分配給數組的內存。

可以使用以下語法給用戶自定義數組賦值：

arrayname(index1, index2, …) = value

可以使用以下語法提取值：

value = arrayname(index1, index2, …)

關鍵字和函數

ZPL中的命令分為兩類：

• 使用關鍵字可以在 OpticStudio 中執行或更改某些內容，例如：

  • RAYTRACE?通過系統追跡特定的光線

  • SETUNITS?設置系統單位

  • PRINT?打印一些內容到屏幕或文件

• 使用函數可以在 OpticStudio 中報告某些內容，例如：

  • y_height = RAYY(5), 報告表面5上的光線截距的Y坐標

  • lens_units$ = $UNITS(), 報告系統的鏡頭單位

本文將給出關鍵字和函數的一些示例，這些示例涵蓋了OpticStudio中可用的整個光線追跡和物理光學計算范圍。請參閱OpticStudio幫助文件，以查看所有支持的函數，關鍵字和常規ZPL功能。

關鍵字

關鍵字和函數是對OpticStudio中已編譯例程的調用，通常與功能區?(?Ribbon Bar?)?中相關功能的工作原理非常相似。

RAYTRACE?=>

LOADARCHIVE?=>

?它們的執行速度與內部命令一樣快，而調用命令的消耗卻很小。因此，不要認為ZPL太“慢”！但是請記住，宏中的顯式計算將被解釋執行，因此與已編譯的程序相比速度較慢。如果宏內部的計算速度很重要，請改用 ZOS-API.NET 。

關鍵字可以指導程序流程（IF或FOR語句），或運行光線追跡或調整透鏡參數等。例如，使OpticStudio將系統優化10圈，可以發送以下命令：

OPTIMIZE 10

同樣，執行此代碼與您按下“優化(?Optimize?)”按鈕并在圖形用戶界面中選擇“?10圈(?10 Cycles?)”完全相同。

關鍵字和操作數

在Zemax早期，編寫了諸如GETMTF?和GETZERNIKE?之類的關鍵字以訪問相應的分析功能。但是，隨著代碼庫的增加，這很快變得很單調。因此，通過其關聯的優化操作數可以訪問大多數分析功能。這可以通過評價函數執行，也可以直接使用?OPEV()?or或?OPEW()數值函數從宏中調用操作數本身來執行。有關更多詳細信息，請參見??。

函數

如前所述，函數與關鍵字不同，因為它們不執行或更改文件中的任何內容，而是使OpticStudio生成有關某些內容的報告。ZPL支持多種函數，包括數值和字符串。數值函數的示例是：

x = SQRT(y)

y = ABSO(z*TANG(e*numpoints))

pi = 4*ATAN(1)

相反，字符串函數以 $ 符號開頭，例如：

$DATE()

$LENSNAME()

surf3_glass$ = $GLASS(3)

與關鍵字不同，函數只能在賦值的右側，或者在作為關鍵字參數的表達式中使用。某些函數（例如PWAV()（報告系統的主波長））返回的值與參數無關，因此不需要提供該值。但是，仍然需要括號。

運算和邏輯運算符

ZPL支持基本的數值運算（加法，減法，除法，乘法）和字符串運算（加法）。兩種運算的示例如下：

Z = (X + 1)/(Y * 6)

R$ = "Hello " + "World"將字符串"Hello World"賦給變量R$

其他數值和字符串函數，例如SINE(), SQRT(), $GETSTRING(), 等，可用于更復雜的運算?？梢允褂美ㄌ杹碜远x運算序列，否則默認運算序列為：函數（例如SQRT()), 邏輯運算符（例如>), 乘法和除法，加法和減法。

ZPL還支持邏輯運算符，包括數值和字符串。這些可用于邏輯測試以及對多個表達式的比較。邏輯運算的結果為“真(TRUE)”（任何非零值）或“假(FALSE)”（零）。OpticStudio將零視為“假”，將任何非零值視為“真”。

數值邏輯運算符表格如下：

& (AND)> (GREATER THAN)| (OR)< (LESS THAN)^ (XOR)> = (GREATER or EQUAL)! (NOT)< = (LESS or EQUAL)= = (EQUAL)! = (NOT EQUAL)

數值邏輯運算符的示例如下：

IF(A > 5) THEN PRINT "A is greater than 5"

字符串邏輯運算符的表格如下：

$ = = (EQUAL)$ > = (GREATER or EQUAL)$ > (GREATER THAN)$ < = (LESS or EQUAL)$ < (LESS THAN)$ ! = (NOT EQUAL)

字符串邏輯運算符示例如下：

IF (C$ $== B$) THEN PRINT "Strings are identical"

賦值與邏輯運算符

錯誤使用運算符 “=” 和邏輯運算符 “= =?”很常見。

例如，下圖中的宏：

在此宏中，“a = b”是賦值，讀取為“將變量a的值設置為等于變量b的值”。由于操作成功，所以OpticStudio將a的值設置為等于b，并返回“真”。因此，宏可寫為：

IF (TRUE)

PRINT "a equals b"

ELSE

PRINT "a does not equal b"

ENDIF

在這種情況下，OpticStudio會發現錯誤并返回：

Syntax error: Illegal assignment (a = b).

可以使用邏輯運算“a == b”來進行正確的操作。

?

IF 與 FOR 條件循環

ZPL可以進行IF與FOR的條件循環。

IF循環的語法如下：

IF (expression)

(commands)

ELSE

(commands)

ENDIF

或

IF (expression) THEN (single command)

IF循環通常與邏輯運算符一起用作表達式語句中的測試條件。例如：

IF (X < Y)

PRINT "X is less than Y"

ELSE

PRINT "X is greater than Y"

ENDIF

請注意，有一些要留給用戶來發現的錯誤，例如，如果x = y會怎樣？

FOR循環的語法如下：

FOR variable, start_value, stop_value, increment

(commands)

NEXT

例如：

FOR i, 1, 10, 1

PRINT i

NEXT

同時定義變量和起始值的以下語法也是有效的：

FOR i = 1, 10, 1

請注意，start_value和stop_value可以是顯式數字，也可以是任何計算結果為數字的變量或表達式。增量應該是整數，或者是任何取值為整數的變量或表達式。

調用宏和子例程

關鍵字?CALLMACRO?可以用一個宏（父級）調用另一個宏（子級）。數字和字符串緩沖區可以在父宏和子宏之間共享數據。示例宏“ Parent.ZPL”和“ Child.ZPL”都包含在OpticStudio安裝文件中，并在幫助文件的“編程?(?Programming?)?選項卡>關于ZPL?(?About the ZPL?)?>從宏中調用宏?(?Calling a Macro from within a Macro?)”部分進行了描述。

關鍵字GOSUB可以執行跳轉到SUB指示的子例程。子例程完成執行后，控制其值返回到GOSUB關鍵字之后的行。在整個宏中，可以多次調用子例程。請注意，它們是在同一個宏中定義的，與前述的分離的父/子宏的情況不同。有關子例程的更多信息，請參見OpticStudio幫助文件的“編程(?Programming?)選項卡>關于ZPL(?About the ZPL?)?>關鍵字(?KEYWORDS?)?> GOSUB，SUB，RETURN和END”部分。

RAYTRACE, RAYTRACEX 和相關功能

對于要在序列模式下使用的宏，最重要的關鍵字之一是RAYTRACE，它追跡給定波長的單條光線（由歸一化視場和光瞳坐標確定）。關鍵字沒有其他作用，語法為：

RAYTRACE hx, hy, px, py, wave

例如：

RAYTRACE 0, 1, 0, 0, PWAV()，在主波長處追跡主光線。

然后，您可以使用后續函數提取任何相關的光線追跡數據，例如：

• RAYX(x), RAYY(x),和?RAYZ(x)，返回表面 x 上的光線的X-，Y-和Z-坐標

• RAYL(x), RAYM(x),和?RAYN(x)，返回表面x上的光線的方向余弦值

• RANX(x), RANY(x),和?RANZ(x)，返回光線擊中表面x處的表面法線余弦值

• RAYT(x)返回光線到表面 x 的光路長度

• OPDC()?返回光線相對于主光線的光程差

例如，以下代碼追跡波長2的邊緣光線。然后將像面上光線的Y坐標截距提取并打印在屏幕上：

RAYTRACE 0, 0, 0, 1, 2

PRINT "The chief ray height is ", RAYY(NSUR())

函數RAYE()報告追跡光線時可能發生的任何錯誤：

• 如果在光線追跡過程中未發生任何錯誤，則返回零。

• 負值表示在該表面上發生了全內反射，該表面序號數是返回值的絕對值

• 正值表示光線錯過了返回的表面編號

檢查RAYE()是可選操作，但是，如果RAYE()不返回零，則上述數據提取函數可能會返回無效數據。

函數RAYV()可用于檢查光線是否存在漸暈，即是否被孔徑擋住了。該函數返回光線存在漸暈的表面編號；如果光線未發生漸暈，則返回零。請記住，如果光線照射到孔徑上，仍會被追跡，并且可以通過使用RAYV()測試是否發生漸暈來將其排除在計算之外。

RAYTRACEX關鍵字是RAYTRACE的實用擴展。它調用OpticStudio光線追跡例程，從任意表面起始追跡當前系統中特定的光線。語法為：

RAYTRACEX x, y, z, l, m, n, surf, wave

如上所述，然后可以使用與RAYTRACE相同的后續功能提取有關光線追跡的數據。

ZPL 中的注釋

最后，您可以使用注釋來標注ZPL宏是如何工作的。任何以“！”為起始的行，或任何“#”后輸入的字符都將作為注釋，這些內容在執行ZPL宏時被忽略。OpticStudio將僅執行將這些組件包在一起的腳本。

例如，想像您需要優化鏡頭，計算評價函數值，并將該值乘以5的對數，相應的ZPL如下所示：

執行ZPL宏的速度非?？?，并且ZPL是非常容易學習和使用的語言。為了幫助您入門，知識庫中有一些介紹Zemax編程語言某些功能的文章，并且OpticStudio下載文件中提供了許多示例。

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