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小火龙果 2020-03-12 18:15

SYNOPSYS代码详解-球面透镜整形器

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\
[attachment=98916] 8L%M<JRg~  
St@l]u9  
然后，点击“Open MACro”按钮[attachment=98917]，打开宏C15M1，该文件中的代码如下：
aD9rp V  
RLE                                       !镜头输入文件起始点
B2 c@kru  
ID LASER BEAM SHAPER   ! 镜头标识
$;2)s} ci  
WA1 .6328                            ! 定义单个波长，单位为um
!@G)$g=<  
UNI MM                                !透镜单位为mm
7J UbVa%  
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
mO P4z'  
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
9Bz0MUbrLl  
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
3HZ~.  
   SF6                          
|uI?ySF  
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；              
I"@p aLZ  
                                  ! 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；
o#>a 5  
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
4KXc~eF[M"  
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;
DG(%-w8p"  
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
8d!GZgC8R  
AFOCAL                  ! 设置系统无焦
DP 9LO_{  
END                         !结束镜头输入文件
点击PAD图标[attachment=98918]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：
[attachment=98919]
图1 粗略猜测用于激光束整形器的初始系统
~6`iY@)  
接下来，检查能量密度，通常有多种方法：
方法一：FLUX指令
FJeiY#us  
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。
[attachment=98920] tdep|sD  
FLUX100 P 3 的含义：
A`[@ 8  
数字100-追迹的光线数目
X32C}4-B  
字母P-主波长
<8!  Tq  
数学3-表面3
方法二：FLUX像差
? }yfKU`  
首先在CW中输入SYNOPSYSAI>STEP= 100,然后点击“Enter”键。
,:)`+v<  
C&+6>L@  
然后运行宏C15M2一次，其代码为： p[9s<lEh  
$A2n{  
DD:DO MACRO FOR AIP = -1 TO 1   ! 定义循环，设置特殊变量AIP来改变透镜数据
tIc 7:th  
COMPOSITE                                       ! 定义复合像差
`!vUsM.d  
CD1 PFLUX 0 0 AIP 0 3  ! 使用CD1参数，计算表面3上AIP区域（循环变量）的光通量衰减
_V2xA88  
=CD1                                 ! 计算结果将自动放入文件夹FILE的位置1
.@#A|fgv  
Z1 =FILE 1     ! 使用Z1变量参数，将文件夹FILE中位置1的结果置于Z1变量中；
!E2W\chi  
= 1 +Z1           ! 将1添加到结果中，这是总的光通量，因为Z1是衰减量。
<YB9Ac~}z  
ORD =FILE 1   ! 获取该值，并用于绘图的纵坐标，其横坐标为循环变量AIP
k GHQ`h  
_{4^|{>Pv  
最后在CW中输入SYNOPSYSAI>DD,然后点击“Enter”键。
;W]\rft[  
这样，就得到了高斯型光通量分布。 从图中可以看出，高斯型通量分布为OBG定义的1/e**2点的两倍。
[attachment=98921] ml6u1+v5  
在PAD图中点击图标 [attachment=98922]按钮打开工作表，然后点击图标[attachment=98923]，再单击PAD图的右侧放置透镜。重复上述操作，为系统添加两个透镜，如图2所示。
[attachment=98924]
图2 添加两个透镜后的系统结构
首先点击[attachment=98925]按钮设置检查点，然后运行优化宏C15M3，其代码为：
D:"{g|nW}  
]y#3@  
CHG              ！改变透镜
s@8w-]"  
NOP              ！移除所有表面拾取和求解
iEm ?  
9UMC           ！UMC指令求解表面9的曲率
E{?au]y$J  
END              ！结束
q_V0+qH  
LzML%J62  
PANT            ! 定义变量参数
]fBUT6  
VLISTRAD ALL  ! 改变所有表面半径
#wY0D_3@1  
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
]p7jhd=  
0hY{<^"Y  
END                        ! 结束  
ICC%,$C~l  
.uF[C{RnO  
AANT                     ! 定义像差参数
mh.+."<)F  
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
$pyOn2}  
ACC 41 1            ！自动控制元件中心厚度，防止中心厚度太厚，目标值为4，权重为1，窗口为1
x79Ha,  
ACA60 10 1         ! 自动控制临界角，防止光线超过临界角，导致光线失败
l{Dct\ #s  
LUL100 1 1 A TOTL  ! 系统总长不超过100
M 510 A P YA 0 0 1 0 9                ! 0视场表面9上的边缘主光线高度目标值为5mm，权重为10
a5Y IUVCv  
M 510 A P YA 0 0 1 0 10              ! 0视场表面10上的边缘主光线高度目标值为5mm，权重为10
iK5_u2]Q  
M 0 1A P FLUX 0 0 1 0 10      ! 0视场表面10上在Y方向高度为1时所对应的光通量衰减为0
piy`zc- yu  
M 0 1A P FLUX 0 0 .99 0 10   ! 0视场表面10上在Y方向高度为0.99时所对应的光通量衰减为0
x3 >  
M 0 1A P FLUX 0 0 .98 0 10   ! 0视场表面10上在Y方向高度为0.98时所对应的光通量衰减为0
3^?ZG^V  
M 0 1A P FLUX 0 0 .97 0 10   ! 0视场表面10上在Y方向高度为0.97时所对应的光通量衰减为0
t]aea*B  
M 0 1A P FLUX 0 0 .96 0 10   ! 0视场表面10上在Y方向高度为0.96时所对应的光通量衰减为0
r [:   
M 0 1A P FLUX 0 0 .95 0 10   ! 0视场表面10上在Y方向高度为0.95时所对应的光通量衰减为0
H+E$:)gN  
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
_P?s'HH  
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
;&V s4  
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
!|ak^GE:(%  
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
p]T<HGJ P  
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
1y#D?R=E  
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
aJ Z"D8C  
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
V!v:]E  
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
[NMVoBvG  
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
_g%TSumvq<  
GSO 01 5 P                            ! 控制弧矢面上5条光线产生的OPD
)R`xR,H  
END                                            ! 结束
ApBWuXp|u  
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。
[attachment=98926] Hso|e?Z  
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。
LUB${0BrA  
xvl3vAN9  
7X@mSXis  
[attachment=98927]
在PAD图中点击[attachment=98928]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。
[attachment=98929]
pRkP~ZISU  
重新优化四个透镜。首先点击[attachment=98925]按钮设置检查点，然后运行优化宏C15M3。并点击图标[attachment=98930]进行模拟退火，具体参数设置为（22,1,50）：
[attachment=98932]
得到新的镜头，如图4所示：
[attachment=98933]
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。
[attachment=98934] !?c|XdjZ  
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 [attachment=98922]按钮打开工作表，然后点击图标 [attachment=98923] ，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。
[attachment=98935]
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：
.7K7h^*F  
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：
[attachment=98936] MxT-1&XL  
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。
[attachment=98937]
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：
[attachment=98938] ,) J~,^f6  
得到足迹图：
[attachment=98939] '%q$` KDb  
h1'\:N`  
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
ULMu19>  
DPROPP 0 0 13 SURF 3 R RESAMPLE 的含义： 0 a80 LAK  
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：
[attachment=98940] d3=KTTi\  
[Xb@Wh:yG  
|*}4 m'c  
` ,SiA-3*  
E? _Z`*h  
.l.a(_R  
0`^&9nR  
0#nPbe,Lj  
~ 4kc/a  
Y1]n^  
c%MW\qx  
%i5M77#Z  
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