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    [原创]SYNOPSYS代码详解-球面透镜整形器 [复制链接]

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    只看楼主 倒序阅读 楼主  发表于: 2020-03-12
    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\
    {BKu'A  
    deHhl(U;  
    然后,点击“Open MACro”按钮,打开宏C15M1,该文件中的代码如下:
    wIz<Y{HA=  
    RLE                                       !镜头输入文件起始点
    #.UooFk+Y  
    ID LASER BEAM SHAPER   ! 镜头标识
    [ /w{,+U  
    WA1 .6328                            ! 定义单个波长,单位为um
    }x`W+r  
    UNI MM                                !透镜单位为mm
    >XjSVRO  
    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
    <Vm+Lt9  
    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
    mK5<;$  
    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
    ,5HQHo@  
       SF6                          
    b"t95qlL  
    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              
    x'@0]f.  
                                      ! 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;
    >xws  
    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
    `Lb^!6`)  
    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;
    -$J\BkI  
    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
    U0q{8 "Pl  
    AFOCAL                  ! 设置系统无焦
    RrRrB"!8nR  
    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
    W# E`h  
    接下来,检查能量密度,通常有多种方法:
    方法一:FLUX指令
    F]\(p=U.  
    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。
    fi^ I1*S  
    FLUX100 P 3 的含义:
    (wU<Kpt?J  
    数字100-追迹的光线数目
    n]?Yv E  
    字母P-主波长
    4eK!1|1  
    数学3-表面3
    方法二:FLUX像差
    NypM+y  
    首先在CW中输入SYNOPSYSAI>STEP= 100,然后点击“Enter”键。
    Gf( hN|X.  
    A94ZG:   
    然后运行宏C15M2一次,其代码为: b}< T<  
    i"Hec9Ri  
    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
    QE*O~Yj  
    COMPOSITE                                       ! 定义复合像差
    A(G%9'T  
    CD1 PFLUX 0 0 AIP 0 3  ! 使用CD1参数,计算表面3AIP区域(循环变量)的光通量衰减
    cih@: =Qy  
    =CD1                                 ! 计算结果将自动放入文件夹FILE的位置1
    <0T5W#H`D  
    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;
    yoiKt; S  
    = 1 +Z1           ! 1添加到结果中,这是总的光通量,因为Z1是衰减量。
    "<ua G?:  
    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
    (T:OZmEO.  
    `!WtKqr%B  
    最后在CW中输入SYNOPSYSAI>DD,然后点击“Enter”键。
    <"F\&M`G  
    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。
    dCv@l7hE  
    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C15M3,其代码为:
    gsFyZ  
    "&;8U.  
    CHG              !改变透镜
    7Mq4$|qhD  
    NOP              !移除所有表面拾取和求解
    TP7'tb  
    9UMC           !UMC指令求解表面9的曲率
    vFKX@wV S  
    END              !结束
    5p!X}u ]  
    e59P6/z  
    PANT            ! 定义变量参数
    FN jT?*  
    VLISTRAD ALL  ! 改变所有表面半径
    u"eO&Vc  
    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
    +@*}_%^l"  
    ,ab_u@  
    END                        ! 结束  
    8>^(-ca_  
    0qP&hybL[(  
    AANT                     ! 定义像差参数
    XJJdCv^  
    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
    x?s5vxAKf  
    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
    n[DQ5l  
    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
    Z3jh-{0  
    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
     +6paM  
    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
    8 Z|c!QIU  
    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
    EC9D.afy&  
    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
    I#lvaoeN  
    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
    &q~**^;'  
    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
    5'iJN$7  
    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
    S%+,:kq  
    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
    2y6@:VxSh  
    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
    '2)c;/-E  
    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
    x~1.;dBF  
    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
    r*$$82s  
    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
    HqM>K*XKU  
    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
    >6 p <n  
    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
    ]MI> "hn  
    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
    WKVoqp}  
    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
    X3nt*G1dL  
    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
    m ,B,dqT  
    GSO 01 5 P                            ! 控制弧矢面上5条光线产生的OPD
    O5}/OH|j  
    END                                            ! 结束
    Hgu:*iYA  
    SNAP                                       ! 设置PAD更新频率
    SYNO100                                !程序优化次数为100
    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。
    BP f;!.  
    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。
    %Xm3m0nsv{  
    4a'O#;h o  
    si`{>e~`6P  
    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。
    WY=RJe2  
    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:
    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。
    +a'QHtg  
    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。
    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。
    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:
    &!)F0PN:u  
    CHG          !改变透镜
    NOP          !移除所有表面拾取和求解
    13UMC     !UMC指令求解表面13的曲率
    END          !结束
    PANT        ! 定义变量参数
    VLISTRAD ALL  ! 改变所有表面半径
    VLISTTH ALL  ! 改变所有表面厚度
    END  !结束  
    AANT                 ! 像差参数输入
    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10LB1-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
    END  ! 结束
    SNAP                                      !设置PAD图更新频率,每一次优化更新一次
    SYNO100                              !程序优化次数为100
    并进行模拟退火(22,1,50),最后得到镜头结构如图6所示:
    Rg:3}T`~n  
    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:
    &5 *)r@+  
    得到足迹图:
    sOyWsXd+R'  
    &p?Oo^  
    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。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
    R'E8>ee; ^  
    DPROPP 0 0 13 SURF 3 R RESAMPLE 的含义: fVR:m`'Iq_  
    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:
    # Sm M5%  
    mtfyhFk  
    6~g:"}  
    C=LXL1x2e  
    1[k~*QS  
    WIwbf|\  
    >M` swEj  
     L_+0[A  
    ++KY+j.^  
    =hV-E D  
    f;/t7=>d  
    Z=: oIAe  
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