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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] l^WPv/}?  
u&7c2|Q  
然后，点击“Open MACro”按钮[attachment=98917]，打开宏C15M1，该文件中的代码如下：
\'}? j-8  
RLE                                       !镜头输入文件起始点
FsXqF&{  
ID LASER BEAM SHAPER   ! 镜头标识
}o  {6  
WA1 .6328                            ! 定义单个波长，单位为um
l A1l  
UNI MM                                !透镜单位为mm
>i:h dcxe  
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
^|+;~3<J  
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
<lxE^M  
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
`& rt>Bk /  
   SF6                          
^XbN&'^,HL  
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；              
DFUW^0N  
                                  ! 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；
due'c!wW  
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
d0"Xlle ld  
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;
D) my@W0,  
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
=yy7P[D  
AFOCAL                  ! 设置系统无焦
"7RnT3  
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
0**.:K<i  
接下来，检查能量密度，通常有多种方法：
方法一：FLUX指令
B[8`l} t  
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] 8E:d!?<^&I  
FLUX100 P 3 的含义：
/A{/  
数字100-追迹的光线数目
M6mJ'Q482  
字母P-主波长
%=t8   
数学3-表面3
方法二：FLUX像差
*>%tx k:)  
首先在CW中输入SYNOPSYSAI>STEP= 100,然后点击“Enter”键。
 zG0191f  
,%uK^U.zk  
然后运行宏C15M2一次，其代码为： N)tqjq  
74u_YA<"  
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
[fjP.kw;J  
COMPOSITE                                       ! 定义复合像差
&qO#EEqG]  
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
.dvOUt I[  
=CD1                                 ! 计算结果将自动放入文件夹FILE的位置1
WU" Lu  
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；
BWHH:cX  
= 1 +Z1           ! 将1添加到结果中，这是总的光通量，因为Z1是衰减量。
q0a8=o"|  
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
F#S )))#  
]@rt/ eX  
最后在CW中输入SYNOPSYSAI>DD,然后点击“Enter”键。
F=qG +T  
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] r`8>@2sW1  
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：
`uN}mC!r]  
TjswB#  
CHG              ！改变透镜
]?$e Bbt  
NOP              ！移除所有表面拾取和求解
*Mg. * N  
9UMC           ！UMC指令求解表面9的曲率
&LD=Zp%  
END              ！结束
>Y\$9W=t  
K~I%"r|l  
PANT            ! 定义变量参数
ff3HR+%M  
VLISTRAD ALL  ! 改变所有表面半径
U/|;u;H=  
VLISTTH 3 5 6 7 8  ! 改变表面3，表面5，表面6，表面6，表面8的空气间隔
MkCq$MA  
%9qG|A,cA  
END                        ! 结束  
X-$\DXRIo  
e~+VN4D&b>  
AANT                     ! 定义像差参数
>cE@m=[  
AEC 11 1             ！自动控制边缘厚度，防止边缘太薄，目标值为1，权重为1，窗口为1
n=+K$R  
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
bx5f\)  
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
E Pgn2[z  
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
R;{y]1u  
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
1;Dug  
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
{#]vvO2~$  
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
n:#gKR-J  
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
qyx  '  
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
~ }g"Fe  
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
 >>nt3q  
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
06dk K )`  
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
x^J}]5{0  
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
 LG/6_t}  
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
1$]hyC/f  
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
Uo7V)I;o  
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
=(-oQ<@v  
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
,vnHEY&  
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
3ZF-n`  
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
EC]b]'._  
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
?<l,a!V'6  
GSO 01 5 P                            ! 控制弧矢面上5条光线产生的OPD
.YT&V  
END                                            ! 结束
)0Lno|l  
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] t5qNfiKC  
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。
\+STl#3*q  
\"X<\3z2  
/;[Zw8K7  
[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]
bi^Xdu  
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] .+'`A"$8  
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：
!='?+Ysxs  
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] I`~ofq?r  
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] Fk(+S:{yQ  
得到足迹图：
[attachment=98939] {5$.:Y  
~; emUU  
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
cr&sI=i  
DPROPP 0 0 13 SURF 3 R RESAMPLE 的含义： ^hpdre"  
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] ?(up!3S'x  
RP"YSnF3  
G<S(P@ss  
tY1M7B^~  
~ .FZF  
[+q':T1W-  
aBH!K   
g.& n X/  
?D6?W6@  
sO5~!W>Z  
#`1@4,iC  
M[C9P.O%w  
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