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\
d&T6p&V$ I\rZk9F
然后,点击“Open MACro”按钮
,打开宏C15M1,该文件中的代码如下:
"bR'Bt RLE !镜头输入文件起始点
5Z6-R}uXk ID LASER BEAM SHAPER ! 镜头标识
'"w}gx WA1 .6328 ! 定义单个波长,单位为um
mKq<'t]^k UNI MM !透镜单位为mm
7<1fKrN?GF 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
gJPDNZ*6pk 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
5+bFy.UW 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
}kCn@ SF6
}or2 $\>m 3 UMC 0.3 YMT 5 ! UMC指令求解表面3的曲率,给定边缘光线的角度为0.3;
te;Ox!B& ! YMT指令求解在表面4上边缘光线高度为5mm时所对应的厚度;
J7ktfyQ0W 4 RD 20 TH 4 PIN 2 ! 定义表面4的半径和厚度,并拾取表面2的折射率
974eY 5 UMC 0 TH 50 ! UMC指令求解表面5的曲率,给定边缘光线的角度为0°,即光束被准直;表面5的厚度为50mm;
o'^;tLs15 7 ! 定义表面6和表面7,且两表面必须平坦且重合,因为它们是AFOCAL输出
<DXmZ1 AFOCAL ! 设置系统无焦
"VDk1YX_&l END !结束镜头输入文件
点击PAD图标或在CW窗口输入SYNOPSYS AI>PAD,得到该透镜系统的二维图,如图1所示: 图1 粗略猜测用于激光束整形器的初始系统
I[=Wmxa?r 接下来,检查能量密度,通常有多种方法:
方法一:FLUX指令
AGEZ8(h CW窗口输入SYNOPSYSAI>FLUX100 P 3,然后点击“Enter”键。得到通过FLUX指令计算出的高斯强度分布引起的光通量衰减,如下图所示。
?UZ$bz FLUX100 P 3 的含义:
pymx\Hd, 数字100-追迹的光线数目
~Un64M? 字母P-主波长
u%=bHg 数学3-表面3
方法二:FLUX像差
J&63Z 首先在CW中输入SYNOPSYSAI>STEP= 100,然后点击“Enter”键。
Eg`R|CF ApG'jN 然后运行宏C15M2一次,其代码为: XhE$&Ff
?-8y4
Ex 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
dv^e9b| COMPOSITE ! 定义复合像差
t&R!5^R 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
X:G&5 =CD1 ! 计算结果将自动放入文件夹FILE的位置1
NWJcFj_ 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;
B:O+*3j = 1 +Z1 ! 将1添加到结果中,这是总的光通量,因为Z1是衰减量。
N
b3I%r 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
Ii~; d3. n5bXQ 最后在CW中输入SYNOPSYSAI>DD,然后点击“Enter”键。
pxw{ 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。
N 8:"&WM
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: +R
"AA_A? pXPqDA CHG !改变透镜
$yDW.pt NOP !移除所有表面拾取和求解
vIVw'Z(g} 9UMC !UMC指令求解表面9的曲率
2q"_^deI5* END !结束
0rku4T /rIm7FW) PANT ! 定义变量参数
]`zjRRd VLISTRAD ALL ! 改变所有表面半径
N@cMM1 VLISTTH 3 5 6 7 8 ! 改变表面3,表面5,表面6,表面6,表面8的空气间隔
n 5~=qQK2 j:HH#U END ! 结束
!~K=#"T K4j@j}zK9I AANT ! 定义像差参数
h'B9|Cm AEC 11 1 !自动控制边缘厚度,防止边缘太薄,目标值为1,权重为1,窗口为1
a?zR8$t| 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
2;~KL-h0TK 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
f\h%; X 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
4@DVc7\x$ 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
Y*Y&)k6t 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
'rS'B.D 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
3AvVU]@&Z@ 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
L3B8IDq 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
yDd=&
T
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
`0yb?Nk `: 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
sL)Rg(rkx 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
UG6M9 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
shM{Y9~O9& 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
;e&! 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
G3H#XK D 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
;US83%* 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
azvDvEWCQZ 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
z8b
_ _%Br 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
"YuZ fL`bb 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
:tKbz
nd/ GSO 01 5 P ! 控制弧矢面上5条光线产生的OPD
7k3p'FeS END ! 结束
[/?c@N, 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。
w'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。
DeA@0HOxh r k@UsHy
DWuRJ 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。 bKYY{V55 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。
?LM:RADCm
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:
8,=G1c
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:
VR"8Di&) 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:
\ZqK\= 得到足迹图:
8AryIgy>@ j?( c}!} 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
TNx_Rc} DPROPP 0 0 13 SURF 3 R RESAMPLE 的含义: .XIr?>G
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:
9-b 8`|s .M8=^,h^K
'X54dXS?l
$iwIF7,\P
(e(Rr4
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