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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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    在线小火龙果
    工程师
     
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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\
    ^<49NUB>  
    F_.rLgGY  
    然后，点击“Open MACro”按钮，打开宏C15M1，该文件中的代码如下：
    r#rL~Rsd}  
    RLE                                       !镜头输入文件起始点
    viB'ul7o  
    ID LASER BEAM SHAPER   ! 镜头标识
    U{/d dCf7  
    WA1 .6328                            ! 定义单个波长，单位为um
    uF,F<%d  
    UNI MM                                !透镜单位为mm
    '/8{Mx+  
    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
    (iQ< [3C=  
    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
    M3 MB{cA2  
    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
    vZMb/}-o  
       SF6                          
    1T&NU  
    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；              
    'EzKu~*  
                                      ! 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；
    U; -2)+  
    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
    T_iX1blrgh  
    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;
    rlxZ,]ul  
    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
    b9nTg  
    AFOCAL                  ! 设置系统无焦
    _y:-_q  
    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
    by07l5  
    接下来，检查能量密度，通常有多种方法：
    方法一：FLUX指令
    0V;9v  
    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。
    7PTw'+{  
    FLUX100 P 3 的含义：
    \Lu aI  
    数字100-追迹的光线数目
    B xAyjA6  
    字母P-主波长
    tofX.oi+C$  
    数学3-表面3
    方法二：FLUX像差
    Sc b'  
    首先在CW中输入SYNOPSYSAI>STEP= 100,然后点击“Enter”键。
    de7 \~$  
    J9aqmQj('  
    然后运行宏C15M2一次，其代码为： "x1?T+j4  
    1 S<E=7  
    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
    ob3)bI oM  
    COMPOSITE                                       ! 定义复合像差
    9w3KAca  
    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$r5KJU  
    =CD1                                 ! 计算结果将自动放入文件夹FILE的位置1
    ~jz!jF~I  
    Z1 =FILE 1     ! 使用Z1变量参数，将文件夹FILE中位置1的结果置于Z1变量中；
    74_':,u;]~  
    = 1 +Z1           ! 将1添加到结果中，这是总的光通量，因为Z1是衰减量。
    Ei>.eXUD5  
    ORD =FILE 1   ! 获取该值，并用于绘图的纵坐标，其横坐标为循环变量AIP
    CFK{.{d]B  
    ,~Y[XazT  
    最后在CW中输入SYNOPSYSAI>DD,然后点击“Enter”键。
    d1jg3{pwA  
    这样，就得到了高斯型光通量分布。 从图中可以看出，高斯型通量分布为OBG定义的1/e**2点的两倍。
    oYx4+xH/  
    在PAD图中点击图标 按钮打开工作表，然后点击图标，再单击PAD图的右侧放置透镜。重复上述操作，为系统添加两个透镜，如图2所示。
    图2 添加两个透镜后的系统结构
    首先点击按钮设置检查点，然后运行优化宏C15M3，其代码为：
    C#qF&n  
    c r,fyAvX  
    CHG              ！改变透镜
    n4XEyCrD  
    NOP              ！移除所有表面拾取和求解
    Vh?5  
    9UMC           ！UMC指令求解表面9的曲率
    oUl0w~Xn  
    END              ！结束
    , wXixf2  
    O0l1AX"  
    PANT            ! 定义变量参数
    c T21  
    VLISTRAD ALL  ! 改变所有表面半径
    [n]C  
    VLISTTH 3 5 6 7 8  ! 改变表面3，表面5，表面6，表面6，表面8的空气间隔
    8u%rh[g'  
    ~"J7=u1o  
    END                        ! 结束  
    >//yvkZ9,  
    lvOM1I  
    AANT                     ! 定义像差参数
    D`'h8:\  
    AEC 11 1             ！自动控制边缘厚度，防止边缘太薄，目标值为1，权重为1，窗口为1
    0g8ykGyx  
    ACC 41 1            ！自动控制元件中心厚度，防止中心厚度太厚，目标值为4，权重为1，窗口为1
    /+wCx#!  
    ACA60 10 1         ! 自动控制临界角，防止光线超过临界角，导致光线失败
    3>>Ca;>$  
    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
    |zbM$37 ?k  
    M 510 A P YA 0 0 1 0 10              ! 0视场表面10上的边缘主光线高度目标值为5mm，权重为10
    x)R1aq  
    M 0 1A P FLUX 0 0 1 0 10      ! 0视场表面10上在Y方向高度为1时所对应的光通量衰减为0
    F4NM q&_  
    M 0 1A P FLUX 0 0 .99 0 10   ! 0视场表面10上在Y方向高度为0.99时所对应的光通量衰减为0
     o,rK8x  
    M 0 1A P FLUX 0 0 .98 0 10   ! 0视场表面10上在Y方向高度为0.98时所对应的光通量衰减为0
    b{BiC&3  
    M 0 1A P FLUX 0 0 .97 0 10   ! 0视场表面10上在Y方向高度为0.97时所对应的光通量衰减为0
     eC[G4  
    M 0 1A P FLUX 0 0 .96 0 10   ! 0视场表面10上在Y方向高度为0.96时所对应的光通量衰减为0
    &( ZEs c  
    M 0 1A P FLUX 0 0 .95 0 10   ! 0视场表面10上在Y方向高度为0.95时所对应的光通量衰减为0
    :jAsm[  
    M 0 1A P FLUX 0 0 .94 0 10   ! 0视场表面10上在Y方向高度为0.94时所对应的光通量衰减为0
    XE'3p6  
    M 0 1A P FLUX 0 0 .93 0 10   ! 0视场表面10上在Y方向高度为0.93时所对应的光通量衰减为0
    %0 p9\I  
    M 0 1A P FLUX 0 0 .92 0 10   ! 0视场表面10上在Y方向高度为0.92时所对应的光通量衰减为0
    _RNP_$a  
    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
    sF Ph?  
    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
    ux8K$$$  
    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
    J``5;%TJp  
    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
    |J"\~%8  
    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
    Z*R~dHr   
    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
    hbe";(  
    GSO 01 5 P                            ! 控制弧矢面上5条光线产生的OPD
    `z^50Vh|  
    END                                            ! 结束
    y*Gq VA[  
    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。
    zh{I;~syh  
    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。
    \WqC^Di  
    \#v(f2jPF  
    SB|Cr:wM  
    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。
    4d_Az'7`4  
    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。
    ]DUmp6  
    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：
    } rX)A\ g6  
    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
    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次
    并进行模拟退火（22,1,50），最后得到镜头结构如图6所示：
    SBaTbY0  
    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：
    2uT@jfj:r  
    得到足迹图：
    BI<(]`FP;s  
    FzOlM-)m   
    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
    24po}nrO  
    DPROPP 0 0 13 SURF 3 R RESAMPLE 的含义： dP<i/@21Wm  
    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：
    *'BI=* `  
    )h]tKYx  
    xouBBb=  
    /eBcPu"[Vb  
    EUq6) K  
    UhXVeGO  
    u`XZtF<vf  
    f7a"}.D $  
    g2vt(Gf;  
    cpH*!*S  
    K<k\A@rv8H  
    VrKLEN\  
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