Zemax—Matlab API 交互教程(4) _批量添加操作数_从高斯光到平顶光

伊人在水一方

Zemax—Matlab API 交互教程(4) _批量添加操作数_从高斯光到平顶光

附件：

相关教程：
Zemax—Matlab API 交互教程(1) _初始化：http://www.optzmx.com/thread-42088-1-1.html
Zemax—Matlab API 交互教程(2) _插入评价函数操作数：http://www.optzmx.com/thread-42091-1-1.html
Zemax—Matlab API 交互教程(3) _插入操作数并进行优化：http://www.optzmx.com/thread-42095-1-1.html

1.在配置光学系统的评价函数时，经常需要批量添加多个相同类型的操作数。手动逐个添加费时费力下，而且容易出错，借助Zemax提供的API进行自动化批量处理，以下示例演示了如何通过 Matlab循环结构自动插入指定数量的操作数，并设置其参数属性。


%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%

% 在下面的代码中，我们利用 for循环控制结构实现了操作数的批量添加与参数配置。
% GetCellAt()方法可精准设置每个操作数不同单元格的数值类型（整型或浮点型）。
% Target和Weight属性则分别用于指定操作数的目标值与优化权重。
% 注意：代码部分为示例框架，实际使用时需根据具体光学系统和优化目标调整操作数类型、参数及优化配置。

%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%

%% 插入num个操作数
for N = 1:num
    % 插入新操作数
   TheMFE.AddOperand();   % 添加一行操作数
    Operand =TheMFE.GetOperandAt(N);  % 获取插入的操作数

    % 设置操作数类型
    Operand.ChangeType(ZOSAPI.Editors.MFE.MeritOperandType.XXXX);% XXXX为操作数

    % 设置操作数的具体参数,可通过循环添加不同的值
   Operand.GetCellAt(2).IntegerValue = N;
   Operand.GetCellAt(3).DoubleValue = 1;
    % ......继续设置其他参数

    % 设置目标值
    Operand.Target =N*0.1;  % 目标值

    % 设置权重
    Operand.Weight =1;

end




2.下面进一步提供一个完整的MATLAB自动化批量写入操作数并进行局部优化流程示例，以实现将圆形高斯光分布转换为圆形平顶光分布。代码参考相关的ZPL宏，ZPL宏代码（Beam Homogenizer-Updated.ZPL）贴在文后，官方宏参考链接：如何设计高斯到顶帽光束整形器 – Ansys Optics



2.1 在ZEMAX中点击“ZOS-API.NET接口”选项卡中的“交互扩展”


2.2 在MATLAB中打开示例文件：Beam_Homogenizer_Updated_matlab.m，点击运行，在ZEMAX界面可以看到显示操作数正在写入的过程。待优化完成，刷新界面会发现高斯光已经变成了平顶光






%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%



% 通过控制操作数优化非球面半径，将圆形高斯光转化为圆形平顶光

% 代码已测试成功

% 相关附件已上传

% 此代码根据ZPL代码改写为MATLAB代码，原ZPL见文末，关于该宏的官方链接：
%https://optics.ansys.com/hc/en-us/articles/42661743954835-How-to-design-a-Gaussian-to-Top-Hat-beam-shaper


%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%

clc; clear; close all;


%% =============== 1. 需要你设置的变量 ===============
% 添加路径，此路径为你的文档\Zemax\ZOS-APIProjects\MATLABZOSConnection1  
addpath("C:\Users\Documents\Zemax\ZOS-APIProjects\MATLABZOSConnection1");

% 你的 .zmx 文件路径
zmxPath = "Zemax—Matlab API 交互教程(4) _批量添加操作数_从高斯光到平顶光\Beam Homogenizer-Updated.zmx";

%% =============== 2. 初始化 Zemax 连接===============

TheApplication = MATLABZOSConnection1;
TheSystem = TheApplication.PrimarySystem;
% 加载你的 .zmx 文件
TheSystem.LoadFile(zmxPath, false);


%% =============== 3. Main：将圆形高斯光转化为圆形平顶光 ===============

TheLDE = TheSystem.LDE; % 镜头数据表

% 高斯光束参数
W = 5;               % 输入高斯束腰半径
K = 15;              % 输出光束半径
sample = 80;         % 光瞳采样数
apod_factor = 1 / (1/3)^2; % 1/3是光束腰与入瞳半径的比率

% 修改系统参数设置
TheSystemData = TheSystem.SystemData;
TheSystemData.Aperture.ApertureType =ZOSAPI.SystemData.ZemaxApertureType.EntrancePupilDiameter; % 入瞳直径
TheSystemData.Aperture.ApertureValue = W*6;  % # 设置入瞳直径为光束腰的6倍（入瞳半径为光束腰的3倍），以便采样充分覆盖光束腰以外的区域
                    

% 设置光阑类型为高斯和切趾因子
TheSystemData.Aperture.ApodizationType =ZOSAPI.SystemData.ZemaxApodizationType.Gaussian;
TheSystemData.Aperture.ApodizationFactor = apod_factor; % 设置系统的apodization因子，使得1/e^2强度点位于光束腰W处，入瞳半径仍为3*W


% 修改第一个视场点的 X=1.0, Y=2.0
sysField = TheSystem.SystemData.Fields;
field1 = sysField.GetField(1);
field1.X = 0.0;
field1.Y = 0.0;


% 波长
sysWave = TheSystem.SystemData.Wavelengths;
sysWave.GetWavelength(1).Wavelength = 0.633;

%% 函数编辑器(MFE)接口
TheMFE = TheSystem.MFE;
TheMFE.ShowEditor(); % 显示优化函数编辑器
TheSystem.MFE.CalculateMeritFunction();  % 刷新计算

% 获取系统中所有表面的数量
NumberOfSurfaces = TheLDE.NumberOfSurfaces();  
image = NumberOfSurfaces - 1;  % 像面所在位置

% 插入操作数并设置

for I = 1:sample+1

    % 插入新操作数
   TheMFE.AddOperand();  
    Operand =TheMFE.GetOperandAt(I);  % 获取插入的操作数

    % 设置操作数类型为 REAY
   Operand.ChangeType(ZOSAPI.Editors.MFE.MeritOperandType.REAY);

    % 设置操作数的面
   Operand.GetCellAt(2).IntegerValue = image;  % 设置像面（表面编号）

    % 设置波长（此处假设使用第1个波长）
   Operand.GetCellAt(3).IntegerValue = 1; % 设置波长索引为1

    % 计算光瞳坐标
    norm_pupil_coord= I / sample;  
    X =norm_pupil_coord * W * 3;  % 未归一化的光瞳坐标

    % 根据公式计算目标值S
    S = K * sqrt(1 -exp(-2 * (X^2) / W^2));  % 输出光束半径

    % 设置光瞳坐标（Px 和Py）
    % Operand.GetCellAt(6).DoubleValue =norm_pupil_coord;  % 设置Px（归一化光瞳坐标）
   Operand.GetCellAt(7).DoubleValue = norm_pupil_coord;  % 设置Py（归一化光瞳坐标）

    % 设置目标值
    Operand.Target =-S;  % 目标值，注意取负值
    % 设置权重
    Operand.Weight =1;  % 权重设为1

end


%% 执行优化

tic; % 开始计时
fprintf(">>>正在进行局部优化\n");
% 局部优化设置（阻尼最小二乘法）
LocalOpt = TheSystem.Tools.OpenLocalOptimization();
LocalOpt.Algorithm =ZOSAPI.Tools.Optimization.OptimizationAlgorithm.DampedLeastSquares;
LocalOpt.Cycles =ZOSAPI.Tools.Optimization.OptimizationCycles.Automatic; % 自动循环
LocalOpt.NumberOfCores = 8; % 使用8个CPU核心
% 运行优化直到完成
LocalOpt.RunAndWaitForCompletion();
LocalOpt.Close();
disp('优化完成');
fprintf(">>>优化时长：\n");
toc; % 输出耗时


%% =============== 4. 原ZPL代码===============
%{

%   原ZPL代码

! Beam Homogenizer by Nam Kim 10/02/2006
! Updated for OpticStudio 15 by Alissa Wersal 8/3/2015
! This macro creates Merit Function that generates raytargets neccesary to
! optimize Gaussian to Top hap beam homogenizer

CLOSEWINDOW             # run macro in quite mode (no textoutput window)
DELETEMFO ALL         # delete the current MF

W = 5                          # gaussian INPUT beam waist
K = 25                         # output beam radius
sample = 80      #pupil sampling


SYSP 11, W*6     #make the EP Diameter 6 times (EP Radius 3 times) the waist, to

                    # sample well beyod the beam waist

SYSP 12, 1       #set Gaussian apodization in the system property. Unneccesary for optimization
                    # but needed for analysis using geometricalrays

apod_factor = 1/POWR((1/3),2)   # 1/3 is the ratio of waist to EP Radius
SYSP 13, apod_factor       # set the system apodization factor so that the 1/e^2 intensity
                             # point is at the waist W. The Entrance PupilRaidus is still 3*W

FOR I, 1, sample+1, 1

         INSERTMFO I                      # insert operand
         SETOPERAND I,11, "REAY"     # set operandtype to REAY
         SETOPERAND I,9, 1                   # set the weight to1

         norm_pupil_coord= I/sample

         X =norm_pupil_coord*W*3     # Un-normalizedpupil coordinate

         S =K*SQRT(1-EXPE(-2*POWR(X,2)/POWR(W,2))) # same as the final equation in thearticle
         SETOPERAND I,8, -S                  # set target.Positive input coordinate has negative
                                                # output coordinate (positive lens) thus thenegative sign
         SETOPERAND I,7, norm_pupil_coord  # Set Py column ofthe operand
         SETOPERAND I,2, NSUR()    # specify the image surfacefor the REAY value calculation

NEXT
OPTIMIZE
UPDATE ALL    # Updateall windows
END

%}