球面透镜整形器
参考Donald Dilworth《Lens Design Automatic and quasi-autonomous computational methods and techniques》书第十五章
首先选择工作目录C:\Synopsys\Dbook\
c]PTU2BB8 <X:JMj+
然后，点击“Open MACro”按钮
，打开宏C15M1，该文件中的代码如下：
RLE !镜头输入文件起始点
#$I@V4O;# ID LASER BEAM SHAPER ! 镜头标识
_x!id f WA1 .6328 ! 定义单个波长，单位为um
l1)~WqhE} UNI MM !透镜单位为mm
u^~7[OkE OBG .352 ! 使用OBG指令声明高斯光源，束腰半径为0.35mm，孔径大小为2倍的输入光束的1/e**2点
_&uJE&xl} 1 TH 22 ! 表面1和表面2之间的距离为22mm；表面1必须在束腰位置
bDkZU 2 RD -5 TH 2 GTB S ! 定义表面2的半径和厚度，以及玻璃类型为来自玻璃库Schott 的SF6
"lI-/ G SF6
1f`De`zXzr 3 UMC 0.3 YMT 5 ! UMC指令求解表面3的曲率，给定边缘光线的角度为0.3；
9 {&g.+ ! YMT指令求解在表面4上边缘光线高度为5mm时所对应的厚度；
@-
STo/ 4 RD 20 TH 4 PIN 2 ! 定义表面4的半径和厚度，并拾取表面2的折射率
\8 `7E1d 5 UMC 0 TH 50 ! UMC指令求解表面5的曲率，给定边缘光线的角度为0°，即光束被准直；表面5的厚度为50mm;
>fH0>W+! 7 ! 定义表面6和表面7，且两表面必须平坦且重合，因为它们是AFOCAL输出
n m- AFOCAL ! 设置系统无焦
]JrD@ V y END !结束镜头输入文件
点击PAD图标
或在CW窗口输入SYNOPSYS AI>PAD,得到该透镜系统的二维图，如图1所示： 图1 粗略猜测用于激光束整形器的初始系统
|O{N_-];. 接下来，检查能量密度，通常有多种方法：
方法一：FLUX指令
w + g29 CW窗口输入SYNOPSYSAI>FLUX100 P 3,然后点击“Enter”键。得到通过FLUX指令计算出的高斯强度分布引起的光通量衰减，如下图所示。
h2ROQKL"B FLUX100 P 3 的含义：
fg^AEn1i 数字100-追迹的光线数目
VJ~D.ec 字母P-主波长
m+<&NDj. 数学3-表面3
方法二：FLUX像差
<]qNjsdb9" 首先在CW中输入SYNOPSYSAI>STEP= 100,然后点击“Enter”键。
BJj'91B[d ~_\Ra% 然后运行宏C15M2一次，其代码为： L ;L:
YThVG0I = DD:DO MACRO FOR AIP = -1 TO 1 ! 定义循环，设置特殊变量AIP来改变透镜数据
'J,UKK\5 COMPOSITE ! 定义复合像差
L4>14D\ CD1 PFLUX 0 0 AIP 0 3 ! 使用CD1参数，计算表面3上AIP区域（循环变量）的光通量衰减
jeu'K vhe =CD1 ! 计算结果将自动放入文件夹FILE的位置1
9/k2 zXY Z1 =FILE 1 ! 使用Z1变量参数，将文件夹FILE中位置1的结果置于Z1变量中；
WH:dcU = 1 +Z1 ! 将1添加到结果中，这是总的光通量，因为Z1是衰减量。
b^/u9 ORD =FILE 1 ! 获取该值，并用于绘图的纵坐标，其横坐标为循环变量AIP
g3:@90Ba AY AU 最后在CW中输入SYNOPSYSAI>DD,然后点击“Enter”键。
Kh]es,$D 这样，就得到了高斯型光通量分布。 从图中可以看出，高斯型通量分布为OBG定义的1/e**2点的两倍。
y2A \7&7
在PAD图中点击图标 
按钮打开工作表，然后点击图标
，再单击PAD图的右侧放置透镜。重复上述操作，为系统添加两个透镜，如图2所示。 图2 添加两个透镜后的系统结构
首先点击
按钮设置检查点，然后运行优化宏C15M3，其代码为： -9b=-K.y _3` G ZeGV CHG ！改变透镜
M| (VM=~ NOP ！移除所有表面拾取和求解
dn( !wC] 9UMC ！UMC指令求解表面9的曲率
N]P~`) END ！结束
?"yjgt7+y C'JI%HnQ PANT ! 定义变量参数
~7: q+\ VLISTRAD ALL ! 改变所有表面半径
o? baiO kH VLISTTH 3 5 6 7 8 ! 改变表面3，表面5，表面6，表面6，表面8的空气间隔
7{#p'.nc5 2{ F-@}= END ! 结束
E`)e
;^ ,} t%7I AANT ! 定义像差参数
G_F_TNO AEC 11 1 ！自动控制边缘厚度，防止边缘太薄，目标值为1，权重为1，窗口为1
opfnIkCe ACC 41 1 ！自动控制元件中心厚度，防止中心厚度太厚，目标值为4，权重为1，窗口为1
xA3_W ACA60 10 1 ! 自动控制临界角，防止光线超过临界角，导致光线失败
+~5Lo' ^ LUL100 1 1 A TOTL ! 系统总长不超过100
M 510 A P YA 0 0 1 0 9 ! 0视场表面9上的边缘主光线高度目标值为5mm，权重为10
)G2Bx+Z;L M 510 A P YA 0 0 1 0 10 ! 0视场表面10上的边缘主光线高度目标值为5mm，权重为10
/@`"&@W' M 0 1A P FLUX 0 0 1 0 10 ! 0视场表面10上在Y方向高度为1时所对应的光通量衰减为0
+6WjOcu M 0 1A P FLUX 0 0 .99 0 10 ! 0视场表面10上在Y方向高度为0.99时所对应的光通量衰减为0
Fp.eucRxP M 0 1A P FLUX 0 0 .98 0 10 ! 0视场表面10上在Y方向高度为0.98时所对应的光通量衰减为0
NS[ Z@ @ M 0 1A P FLUX 0 0 .97 0 10 ! 0视场表面10上在Y方向高度为0.97时所对应的光通量衰减为0
f7&ni#^Ztj M 0 1A P FLUX 0 0 .96 0 10 ! 0视场表面10上在Y方向高度为0.96时所对应的光通量衰减为0
$<-a>~^Tp M 0 1A P FLUX 0 0 .95 0 10 ! 0视场表面10上在Y方向高度为0.95时所对应的光通量衰减为0
59.$;Ip;g M 0 1A P FLUX 0 0 .94 0 10 ! 0视场表面10上在Y方向高度为0.94时所对应的光通量衰减为0
=oSD)z1c?x M 0 1A P FLUX 0 0 .93 0 10 ! 0视场表面10上在Y方向高度为0.93时所对应的光通量衰减为0
+3))G M 0 1A P FLUX 0 0 .92 0 10 ! 0视场表面10上在Y方向高度为0.92时所对应的光通量衰减为0
o zOc6 M 0 1A P FLUX 0 0 .91 0 10 ! 0视场表面10上在Y方向高度为0.91时所对应的光通量衰减为0
a j?ZVa6 M 0 1A P FLUX 0 0 .85 0 10 ! 0视场表面10上在Y方向高度为0.85时所对应的光通量衰减为0
qsj$u-xhX M 0 1A P FLUX 0 0 .8 0 10 ! 0视场表面10上在Y方向高度为0.8时所对应的光通量衰减为0
#VhdYDbW M 0 1A P FLUX 0 0 .7 0 10 ! 0视场表面10上在Y方向高度为0.7时所对应的光通量衰减为0
]-wyZ +a M 0 1A P FLUX 0 0 .5 0 10 ! 0视场表面10上在Y方向高度为0.5时所对应的光通量衰减为0
eE qcAUn M 0 1A P FLUX 0 0 .3 0 10 ! 0视场表面10上在Y方向高度为0.3时所对应的光通量衰减为0
o6u^hG6~' GSO 01 5 P ! 控制弧矢面上5条光线产生的OPD
94!}
Z> END ! 结束
g0 Q,]\~ SNAP ! 设置PAD更新频率
SYNO100 !程序优化次数为100次
优化后的镜头结构,如图3所示。您的结果可能会有所不同，由于您点击插入元件的确切位置是不可预测的。
zw3I(_d[ 图3 通过优化光通量像差的镜头
再次评估光通量均匀性。CW窗口输入SYNOPSYSAI>FLUX100 P 10,然后点击“Enter”键。得到通过FLUX指令计算出的高斯强度分布引起的光通量衰减，如下图所示。光通量并没有改善。
"smU5 s,P PcsYy]Q/
u&* [ 在PAD图中点击
恢复检查点，并打开WS工作表，在表面框中选择0，将“OBG 0.35 2”更改为“OBG0.35 1”，单击“Update”按钮。 *L<EGFP 重新优化四个透镜。首先点击按钮设置检查点，然后运行优化宏C15M3。并点击图标
进行模拟退火，具体参数设置为（22,1,50）： 得到新的镜头，如图4所示：
图4 重新优化后的镜头
重新评估光通量均匀性。在CW窗口输入SYNOPSYSAI>FLUX100 P 10,然后点击“Enter”键。得到通过FLUX指令计算出的高斯强度分布引起的光通量衰减，如下图所示。
e/4C` J-
光通量稍好点，但仍然不均匀。在保持光线角度控制的同时使强度分布均匀并不容易。该结果似乎表明使用四个透镜可以达到很好的平衡。
在PAD图中点击图标 按钮打开工作表，然后点击图标 ，再单击PAD图的右侧放置透镜。重复上述操作，为系统添加两个透镜，如图5所示。 图5 再添加两个透镜后的系统结构
优化六个镜头以及模拟退火优化。运行优化宏C15M4，其代码为：
gPn0-)<
CHG ！改变透镜
AEC 11 1 ！自动控制边缘厚度不小于1mm，权重为1，窗口为1
ACC 41 1 ！自动控制元件中心厚度不大于4mm，权重为1，窗口为1
LUL100 1 1 A TOTL ! 系统总长上限为100mm
M 510 A P YA 0 0 1 0 LB1 ! 0视场表面14的边缘光线高度目标值为5，权重为10；LB1-倒数第2个面
M 0 1A P FLUX 0 0 1 0 LB1 ! 0视场表面14上在Y方向高度为1时所对应的光通量衰减为0
M 0 1A P FLUX 0 0 .99 0 LB1 ! 0视场表面14上在Y方向高度为0.99时所对应的光通量衰减为0
M 0 1A P FLUX 0 0 .98 0 LB1 ! 0视场表面14上在Y方向高度为0.98时所对应的光通量衰减为0
M 0 1A P FLUX 0 0 .97 0 LB1 ! 0视场表面14上在Y方向高度为0.97时所对应的光通量衰减为0
M 0 1A P FLUX 0 0 .96 0 LB1 ! 0视场表面14上在Y方向高度为0.96时所对应的光通量衰减为0
M 0 1A P FLUX 0 0 .95 0 LB1 ! 0视场表面14上在Y方向高度为0.95时所对应的光通量衰减为0
M 0 1A P FLUX 0 0 .94 0 LB1 ! 0视场表面14上在Y方向高度为0.94时所对应的光通量衰减为0
M 0 1A P FLUX 0 0 .93 0 LB1 ! 0视场表面14上在Y方向高度为0.93时所对应的光通量衰减为0
M 0 1A P FLUX 0 0 .92 0 LB1 ! 0视场表面14上在Y方向高度为0.92时所对应的光通量衰减为0
M 0 1A P FLUX 0 0 .91 0 LB1 ! 0视场表面14上在Y方向高度为0.91时所对应的光通量衰减为0
M 0 1A P FLUX 0 0 .85 0 LB1 ! 0视场表面14上在Y方向高度为0.85时所对应的光通量衰减为0
M 0 1A P FLUX 0 0 .8 0 LB1 ! 0视场表面14上在Y方向高度为0.8时所对应的光通量衰减为0
M 0 1A P FLUX 0 0 .7 0 LB1 ! 0视场表面14上在Y方向高度为0.7时所对应的光通量衰减为0
M 0 1A P FLUX 0 0 .5 0 LB1 ! 0视场表面14上在Y方向高度为0.5时所对应的光通量衰减为0
M 0 1A P FLUX 0 0 .3 0 LB1 ! 0视场表面14上在Y方向高度为0.3时所对应的光通量衰减为0
GSO 0.1 5 P ! 控制弧矢面上5条光线产生的OPD
GSR 01 5 P !控制弧矢面光线网格中所产生的光线像差
SNAP ！设置PAD图更新频率，每一次优化更新一次
并进行模拟退火（22,1,50），最后得到镜头结构如图6所示：
%|4Kak]: Q 图6 优化后的六片透镜结构
CW窗口输入SYNOPSYSAI>FLUX100 P 14,然后点击“Enter”键。得到通过FLUX指令计算出的高斯强度分布引起的光通量衰减，如下图所示。
光通量完全控制在10%均匀度的目标范围内。可以使用全球面透镜来完成整形器设计，但是需要六片透镜。
首先在CW中输入指令OFF27，即关闭开关27。然后在CW中输入MFP指令，点击“Enter”键。打开MFP对话框进行以下设置：
)7NK+k 得到足迹图：
z&9ljQ
iF 六片透镜系统的输出光线分布。光线更多地散布在中心附近，并在边缘压缩，这对光束整形器来说非常好，使得光束均匀化。
接下来，使用DPROP命令分析衍射传播特性。在CW中输入：
CHG !改变透镜
CFIX !固定孔径光阑，建议在运行DPROP时固定光阑。原因是：如果衍射发送少量的能量，DPROP程序通常会检查比镜头允许区域更大的区域。
1 TH0 !表面1厚度为0mm
END !结束
DPROPP 0 0 13 SURF 3 R RESAMPLE !设置衍射传播参数
DPROPP 0 0 13 SURF 3 R RESAMPLE 的含义： !}}
)f/
DPROP-衍射传播
P-主色
第一个0- Y方向的0视场
第二个0-X方向的0视场
13-表面13
SURF-绘制一个波阵面透视图，波阵面落在表面13的顶点平面上
3-曲面图的高度
R-设定该曲面的视角为右视角
RESAMPLE-多重采样
得到DPROP分析图如下：
<mJ8~ SEnr" }
y:E$n!
gR/?MJ(v
yF m88
I`+,I`~ u
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