如何使用 Python 的 COM 组件与 ZOS-API 交互构建和优化单透镜

简介

打开编程模板

Windows 资源管理器打开带有解决方案的文件夹  {Zemax}ZOS-API ProjectsPythonStandaloneApplication。

使用以下工具对Python项目和脚本进行测试：

•  Windows（64位）中安装的 Python 3.7.2 (https://www.python.org/downloads/)-Python编译器

• 用于 Windows 扩展的 Python (64位， Python 3.7) (https://github.com/mhammond/pywin32/releases) – 支持COM

• Windows 桌面上的 Microsoft Visual Studio Express 2013 (https://www.visualstudio.com/en-us/products/visual-studio-express-vs.aspx) – 易于使用的 IDE

• Visual Studio 中的 Python工具 (https://pytools.codeplex.com/)- 集成到 Visual Studio 

注意，Visual Studio 和 Python工具使开发变得更容易，但是 Python 脚本应该在没有安装它们的情况下运行。如果安装了 Visual Studio，它将与新解决方案一起打开，该解决方案包含可用作任何独立应用程序基础的模板代码。

创建新文件并应用系统设置

设计规格如下的单透镜：

• 光线来自无限远，半视场角为5°，单一波长（d光，0.587mm）。

• 准直的入射光被聚焦为最小的RMS光斑半径，均匀射入视场中。

• F 数为10，入瞳直径为 40 mm。

• 材料为 N-BK7。

• 光阑为位于透镜之后单独的表面，可以自由移动。

• 至少3片透镜，并且中心厚度不超过15mm。

• 透镜的边缘厚度最小为3mm，空气间隙最小为 0.5 mm

在脚本中，转到 “# Insert Code Here” 然后输入：

TheSystem = zosapi.TheSystem;
TheSystem.New(False);

上述程序表示完整的光学系统，对应于独立的 . ZMX文件。现在创建包含新文件路径的字符串。为了使脚本更加灵活，将使用 SamplesDir属性来创建文件路径。

fileOut = zosapi.TheApplication.SamplesDir  "SequentialObjectivesSingle Lens Example wizard EFFL.zmx";
zosapi.TheSystem.SaveAs(fileOut);

TheSystemData包含系统的所有基本数据，可以用其设置光圈、视场、波长等。

# Aperture
TheSystemData = TheSystem.SystemData;
TheSystemData.Aperture.ApertureValue = 40;
# Fields
TheSystemData.Fields.AddField(0,5.0,1.0);
# Wavelength preset
TheSystemData.Wavelengths.SelectWavelengthPreset(constants.WavelengthPreset_d_0p587);

对于枚举常量，如： WavelengthPreset, Python 将每个常量创建为{enum name}_{enum value}.

# Lens data
TheLDE = TheSystem.LDE;
TheLDE.InsertNewSurfaceAt(1);
TheLDE.InsertNewSurfaceAt(1);
Surface_1 = TheLDE.GetSurfaceAt(1);
Surface_2 = TheLDE.GetSurfaceAt(2);
Surface_3 = TheLDE.GetSurfaceAt(3);
Surface_1.Thickness = 10.0;
Surface_1.Comment = 'front of lens';
Surface_1.Material = 'N-BK7';
Surface_2.Thickness = 50.0;
Surface_2.Comment = 'rear of lens';
Surface_3.Comment = 'Stop is free to move';
Surface_3.Thickness = 350.0;

可以用5个自变量来实现设计目标——透镜的前后半径、透镜的厚度、光阑的位置和像的位置。

# Make thicknesses and radii variable
Surface_1.RadiusCell.MakeSolveVariable();
Surface_1.ThicknessCell.MakeSolveVariable();
Surface_2.RadiusCell.MakeSolveVariable();
Surface_2.ThicknessCell.MakeSolveVariable();
Surface_3.ThicknessCell.MakeSolveVariable();

如果想在 OpticStudio 中打开文件来查看当前的进度，首先需要使用以下代码保存镜头文件：

# Save and close
The System.Save();

使用序列优化向导 ( Sequential Optimization Wizard ) 在默认的评价函数中指定最小光斑半径 ( Minimum Spot Radius ) 和玻璃/空气的边界条件的目标值。

如上图所示，使用以下代码来设置优化向导：

# Merit functions
TheMFE = TheSystem.MFE;    
wizard = TheMFE.SEQOptimizationWizard;
wizard.Type = 0;        # RMS
wizard.Data = 1;        # Spot Radius
wizard.Reference = 0;   # Centroid
wizard.Ring = 2;        # 3 Rings
wizard.Arm = 0;         # 6 Arms
wizard.IsGlassUsed = True;
wizard.GlassMin = 3;
wizard.GlassMax = 15;
wizard.GlassEdge = 3;
wizard.IsAirUsed = True;
wizard.AirMin = 0.5;
wizard.AirMax = 1000;
wizard.AirEdge = 0.5;
wizard.IsAssumeAxialSymmetryUsed = True;
wizard.CommonSettings.OK();

通过 OpticStudio 中所有可用向导的 CommonSettings 部分，可以实现“OK 按钮”的功能。
由于透镜在光阑之前，不能使用F数求解，我们将不知道哪条光线是边缘光线，直到它到达光阑的边缘。这意味着除了 RMS 点列图默认评价函数外，还必须使用 EFFL 操作数。在评价函数最上面再加一行，把有效焦距的目标值定为400mm，权重设为1。

Operand_1=TheMFE.InsertNewOperandAt(1);
Operand_1.ChangeType(constants.MeritOperandType_EFFL);
Operand_1.Target = 400.0;
Operand_1.Weight = 1.0;

设置完成之后，评价函数如下所示：

局部优化

现在访问用于运行局部优化的属性和方法，并在图形用户界面中进行如下图所示的设置：

# Local optimisation till completion
LocalOpt = TheSystem.Tools.OpenLocalOptimization();
LocalOpt.Algorithm = constants.OptimizationAlgorithm_DampedLeastSquares;
LocalOpt.Cycles = constants.OptimizationCycles_Automatic;
LocalOpt.NumberOfCores = 8;
baseTool = CastTo(LocalOpt, "ISystemTool")
baseTool.RunAndWaitForCompletion();
baseTool.Close();

由于 Python COM 接口处理继承的方式，OpenLocalOptimization() 返回ILocalOptimization接口，而所有的运行、关闭等等都返回 ISystemTool 接口。因此，需要将派生类对象转换为基类对象，以访问基类中的内容。
最后，在优化完成后保存文件。

# Save and close
TheSystem.Save();

结果

运行脚本之后，在 OpticStudio 中打开. ZMX 文件，并查看优化后的镜头。