光学设计软件产品教程：Zemax 编程语言 (ZPL) 简介

wavelab86

用户可以使用Zemax编程语言 (Zemax Programming Language，ZPL) 在OpticStudio中编写自己的程序。这些程序可以实现：

• 自动重复键盘和鼠标的操作
• 基于OpticStudio的数据进行计算
• 以特定格式输出数据
• 以图表或表格的形式生成数据
  

以及很多其它的功能！

创建ZPL宏程序非常简单。本文概述了ZPL的主要功能、变量示例，描述了ZPL中重要的函数和关键词。

作者 Dan Hill, updated by Alessandra Croce

简介

ZPL是不区分大小写的“宏”或“脚本”语言，并且是扩展OpticStudio计算范围的最简单方法。它是根据BASIC建模的，并且是一种解释型语言。这意味着编写ZPL宏非常容易，但是这也意味着进行复杂计算时，其执行速度要比完全编译的代码慢。

ZPL脚本可以调用OpticStudio中已编译的函数（关键字和操作数），并且在以下情况下很实用：

• 当您需要特殊格式的数据
• 实现不在程序中的功能或计算，例如数据提取，导出或简单绘图
• 在没有适当的操作数时进行优化（创建自定义操作数）
• 创建自定义/复杂求解（创建自定义求解）
• 自动重复键盘的操作
  

请注意，ZPL不能用于编辑用户自定义表面或物体，若有需要，您可以使用DLL。

ZPL包含五个基本概念：变量 (variables)、运算符 (operations)、函数 (functions)、关键词 (keywords) 和注释 (comments)。以下将对这些概念进行介绍，可以在OpticStudio帮助手册的“编程 ( Programming) 选项卡> 关于ZPL(About the ZPL) ”部分查阅更多信息。

ZPL的目标是为没有太多编程经验的光学工程师提供强大的编程工具，该工具可以快速执行，并且易于学习。OpticStudio还支持ZOS-API，这是API级别的接口，外部程序（例如Matlab或Python）可以通过ZOS-API访问OpticStudio的功能。想要了解更多信息，请查看文章 " 什么是 ZOS-API ，作用是什么?" 。

赋值、变量和数组

基本的赋值语法为：

variable = expression

其中 “ = ” 意为“将值设为”。

变量可以是数值 (numeric) 或字符串 (string)，这取决于它们所包含的数据类型。表达式可以是确切值、其它变量或复杂的数学表达式/函数。只有数组变量需要在使用前声明，因此例如 x = 7 无需提前声明数字变量 x即可工作。如下有效赋值的示例：

x = 4
y = 3
z = x + y

字符串变量名称中的最后一个字符必须带有 $ 字符：

newstring$ = "Here is the new string"

变量始终保持为双精度64位值。它们的名称有一些必须遵守的限制。 变量名称不应：

• 超过28个字符
• 包含用作运算符的任何特殊字符 (*, !, <, &, 等)
• 包含任何空格 (改为使用 “ _ ”)
• 与关键字或函数相同
  

数组

ZPL还支持数组（或向量）变量，有4个预定义的向量，分别称为VEC1, VEC2, VEC3,和VEC4, 主要由其他命令（例如GETPSF, GETMTF, 等）使用，它们的大小由SETVECSIZE 关键字设置。

用户自定义数组变量必须在使用前用DECLARE 关键字声明。它们最多可以由4维构成，并可以为双精度或整数数据类型。必须使用RELEASE 关键字释放分配给数组的内存。

可以使用以下语法给用户自定义数组赋值：

arrayname(index1, index2, …) = value

可以使用以下语法提取值：

value = arrayname(index1, index2, …)

关键字和函数

ZPL中的命令分为两类：

• 使用关键字可以在 OpticStudio 中执行或更改某些内容，例如：
  • RAYTRACE 通过系统追迹特定的光线
  • SETUNITS 设置系统单位
  • PRINT 打印一些内容到屏幕或文件
    
• 使用函数可以在 OpticStudio 中报告某些内容，例如：
  • y_height = RAYY(5), 报告表面5上的光线截距的Y坐标
  • lens_units$ = $UNITS(), 报告系统的镜头单位
    
  
  

本文将给出关键字和函数的一些示例，这些示例涵盖了OpticStudio中可用的整个光线追迹和物理光学计算范围。请参阅OpticStudio帮助文件，以查看所有支持的函数，关键字和常规ZPL功能。

关键字

关键字和函数是对OpticStudio中已编译例程的调用，通常与功能区 ( Ribbon Bar ) 中相关功能的工作原理非常相似。

RAYTRACE =>

LOADARCHIVE =>

它们的执行速度与内部命令一样快，而调用命令的消耗却很小。因此，不要认为ZPL太“慢”！但是请记住，宏中的显式计算将被解释执行，因此与已编译的程序相比速度较慢。如果宏内部的计算速度很重要，请改用 ZOS-API.NET 。

关键字可以指导程序流程（IF或FOR语句），或运行光线追迹或调整透镜参数等。例如，使OpticStudio将系统优化10圈，可以发送以下命令：

OPTIMIZE 10

同样，执行此代码与您按下“优化( Optimize )”按钮并在图形用户界面中选择“ 10圈( 10 Cycles )”完全相同。

关键字和操作数

在Zemax早期，编写了诸如GETMTF 和GETZERNIKE 之类的关键字以访问相应的分析功能。但是，随着代码库的增加，这很快变得很单调。因此，通过其关联的优化操作数可以访问大多数分析功能。这可以通过评价函数执行，也可以直接使用 OPEV() or或 OPEW()数值函数从宏中调用操作数本身来执行。有关更多详细信息，请参见 "如何使用 OPEV 和 OPEW 获取ZPL宏中任意优化操作数的值" 。

函数

如前所述，函数与关键字不同，因为它们不执行或更改文件中的任何内容，而是使OpticStudio生成有关某些内容的报告。ZPL支持多种函数，包括数值和字符串。数值函数的示例是：

x = SQRT(y)

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

pi = 4*ATAN(1)

相反，字符串函数以 $ 符号开头，例如：

$DATE()

$LENSNAME()

surf3_glass$ = $GLASS(3)

与关键字不同，函数只能在赋值的右侧，或者在作为关键字参数的表达式中使用。某些函数（例如PWAV()（报告系统的主波长））返回的值与参数无关，因此不需要提供该值。但是，仍然需要括号。

运算和逻辑运算符

ZPL支持基本的数值运算（加法，减法，除法，乘法）和字符串运算（加法）。两种运算的示例如下：

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

R$ = "Hello " + "World"将字符串"Hello World"赋给变量R$

其他数值和字符串函数，例如SINE(), SQRT(), $GETSTRING(), 等，可用于更复杂的运算。可以使用括号来自定义运算序列，否则默认运算序列为：函数（例如SQRT()), 逻辑运算符（例如>), 乘法和除法，加法和减法。

ZPL还支持逻辑运算符，包括数值和字符串。这些可用于逻辑测试以及对多个表达式的比较。逻辑运算的结果为“真(TRUE)”（任何非零值）或“假(FALSE)”（零）。OpticStudio将零视为“假”，将任何非零值视为“真”。

数值逻辑运算符表格如下：

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

数值逻辑运算符的示例如下：

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

字符串逻辑运算符的表格如下：

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

字符串逻辑运算符示例如下：

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

赋值与逻辑运算符

错误使用运算符 “=” 和逻辑运算符 “= = ”很常见。

例如，下图中的宏：

在此宏中，“a = b”是赋值，读取为“将变量a的值设置为等于变量b的值”。由于操作成功，所以OpticStudio将a的值设置为等于b，并返回“真”。因此，宏可写为：

IF (TRUE)

PRINT "a equals b"

ELSE

PRINT "a does not equal b"

ENDIF

在这种情况下，OpticStudio会发现错误并返回：

Syntax error: Illegal assignment (a = b).

可以使用逻辑运算“a == b”来进行正确的操作。

IF 与 FOR 条件循环

ZPL可以进行IF与FOR的条件循环。

IF循环的语法如下：

IF (expression)

(commands)

ELSE

(commands)

ENDIF

或

IF (expression) THEN (single command)

IF循环通常与逻辑运算符一起用作表达式语句中的测试条件。例如：

IF (X < Y)

PRINT "X is less than Y"

ELSE

PRINT "X is greater than Y"

ENDIF

请注意，有一些要留给用户来发现的错误，例如，如果x = y会怎样？

FOR循环的语法如下：

FOR variable, start_value, stop_value, increment

(commands)

NEXT

例如：

FOR i, 1, 10, 1

PRINT i

NEXT

同时定义变量和起始值的以下语法也是有效的：

FOR i = 1, 10, 1

请注意，start_value和stop_value可以是显式数字，也可以是任何计算结果为数字的变量或表达式。增量应该是整数，或者是任何取值为整数的变量或表达式。

调用宏和子例程

关键字 CALLMACRO 可以用一个宏（父级）调用另一个宏（子级）。数字和字符串缓冲区可以在父宏和子宏之间共享数据。示例宏“ Parent.ZPL”和“ Child.ZPL”都包含在OpticStudio安装文件中，并在帮助文件的“编程 ( Programming ) 选项卡>关于ZPL ( About the ZPL ) >从宏中调用宏 ( Calling a Macro from within a Macro )”部分进行了描述。

关键字GOSUB可以执行跳转到SUB指示的子例程。子例程完成执行后，控制其值返回到GOSUB关键字之后的行。在整个宏中，可以多次调用子例程。请注意，它们是在同一个宏中定义的，与前述的分离的父/子宏的情况不同。有关子例程的更多信息，请参见OpticStudio帮助文件的“编程( Programming )选项卡>关于ZPL( About the ZPL ) >关键字( KEYWORDS ) > GOSUB，SUB，RETURN和END”部分。

RAYTRACE, RAYTRACEX 和相关功能

对于要在序列模式下使用的宏，最重要的关键字之一是RAYTRACE，它追迹给定波长的单条光线（由归一化视场和光瞳坐标确定）。关键字没有其他作用，语法为：

RAYTRACE hx, hy, px, py, wave

例如：

RAYTRACE 0, 1, 0, 0, PWAV()，在主波长处追迹主光线。

然后，您可以使用后续函数提取任何相关的光线追迹数据，例如：

• RAYX(x), RAYY(x),和 RAYZ(x)，返回表面 x 上的光线的X-，Y-和Z-坐标
• RAYL(x), RAYM(x),和 RAYN(x)，返回表面x上的光线的方向余弦值
• RANX(x), RANY(x),和 RANZ(x)，返回光线击中表面x处的表面法线余弦值
• RAYT(x)返回光线到表面 x 的光路长度
• OPDC() 返回光线相对于主光线的光程差
  

例如，以下代码追迹波长2的边缘光线。然后将像面上光线的Y坐标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())

函数RAYE()报告追迹光线时可能发生的任何错误：

• 如果在光线追迹过程中未发生任何错误，则返回零。
• 负值表示在该表面上发生了全内反射，该表面序号数是返回值的绝对值
• 正值表示光线错过了返回的表面编号
  

检查RAYE()是可选操作，但是，如果RAYE()不返回零，则上述数据提取函数可能会返回无效数据。

函数RAYV()可用于检查光线是否存在渐晕，即是否被孔径挡住了。该函数返回光线存在渐晕的表面编号；如果光线未发生渐晕，则返回零。请记住，如果光线照射到孔径上，仍会被追迹，并且可以通过使用RAYV()测试是否发生渐晕来将其排除在计算之外。

RAYTRACEX关键字是RAYTRACE的实用扩展。它调用OpticStudio光线追迹例程，从任意表面起始追迹当前系统中特定的光线。语法为：

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

如上所述，然后可以使用与RAYTRACE相同的后续功能提取有关光线追迹的数据。

ZPL 中的注释

最后，您可以使用注释来标注ZPL宏是如何工作的。任何以“！”为起始的行，或任何“#”后输入的字符都将作为注释，这些内容在执行ZPL宏时被忽略。OpticStudio将仅执行将这些组件包在一起的脚本。

例如，想像您需要优化镜头，计算评价函数值，并将该值乘以5的对数，相应的ZPL如下所示：

执行ZPL宏的速度非常快，并且ZPL是非常容易学习和使用的语言。为了帮助您入门，知识库中有一些介绍Zemax编程语言某些功能的文章，并且OpticStudio下载文件中提供了许多示例。

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