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\
7"w2$*4 '0 ""1^k2fj
然后，点击“Open MACro”按钮
，打开宏C15M1，该文件中的代码如下：
RLE !镜头输入文件起始点
J]G?Rc ID LASER BEAM SHAPER ! 镜头标识
_',pr Z* WA1 .6328 ! 定义单个波长，单位为um
f 3H ed UNI MM !透镜单位为mm
A Q+]|XYo_ 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
'6xQT-sUih 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
}2uI?i8 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
DV\`Wv SF6
?I [ 8' 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；
z 6?)3' ! 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；
^H2-RBE# 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
f~d d3m(' 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;
v}tag#f5>? 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
&Ibu>di4[ AFOCAL ! 设置系统无焦
mN>h5G>a 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
3v
mjCm 接下来，检查能量密度，通常有多种方法：
方法一：FLUX指令
F^5?\ 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。
q@@T]V6 FLUX100 P 3 的含义：
8&Oa_{ 1+Q 数字100-追迹的光线数目
-GqT7`:(H4 字母P-主波长
B:e
@0049 数学3-表面3
方法二：FLUX像差
$`wMX{ 首先在CW中输入SYNOPSYSAI>STEP= 100,然后点击“Enter”键。
3$m4q`J cu% C" 然后运行宏C15M2一次，其代码为： o4%y >d)
GHsilb a 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
;Ww7"-=sw COMPOSITE ! 定义复合像差
E/09hD Q 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
Mnz!nWhk =CD1 ! 计算结果将自动放入文件夹FILE的位置1
$zyIuJN# Z1 =FILE 1 ! 使用Z1变量参数，将文件夹FILE中位置1的结果置于Z1变量中；
2A\,-*pc = 1 +Z1 ! 将1添加到结果中，这是总的光通量，因为Z1是衰减量。
ooV3gj4 ORD =FILE 1 ! 获取该值，并用于绘图的纵坐标，其横坐标为循环变量AIP
;}1xn3THCn g+ MdHn[ 最后在CW中输入SYNOPSYSAI>DD,然后点击“Enter”键。
,WG<hgg-U) 这样，就得到了高斯型光通量分布。 从图中可以看出，高斯型通量分布为OBG定义的1/e**2点的两倍。
xw3YK!$sIF
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： UY <e&Npo C%U`"-%n@7 CHG ！改变透镜
L
W;heO" NOP ！移除所有表面拾取和求解
>9f%@uSM$3 9UMC ！UMC指令求解表面9的曲率
sp
]zbX? END ！结束
K,e w >U S=nP[s PANT ! 定义变量参数
cP}KU 5j VLISTRAD ALL ! 改变所有表面半径
#Ap;_XcKw VLISTTH 3 5 6 7 8 ! 改变表面3，表面5，表面6，表面6，表面8的空气间隔
:OkT? (i <]T` 3W9 END ! 结束
[ e8x&{L-_ \ig mv]G% AANT ! 定义像差参数
ylB7* >[ AEC 11 1 ！自动控制边缘厚度，防止边缘太薄，目标值为1，权重为1，窗口为1
Qhw^S* ACC 41 1 ！自动控制元件中心厚度，防止中心厚度太厚，目标值为4，权重为1，窗口为1
r.T<j .\ ACA60 10 1 ! 自动控制临界角，防止光线超过临界角，导致光线失败
+Ag!?T LUL100 1 1 A TOTL ! 系统总长不超过100
M 510 A P YA 0 0 1 0 9 ! 0视场表面9上的边缘主光线高度目标值为5mm，权重为10
Udc=,yo3Qm M 510 A P YA 0 0 1 0 10 ! 0视场表面10上的边缘主光线高度目标值为5mm，权重为10
(:";i& M 0 1A P FLUX 0 0 1 0 10 ! 0视场表面10上在Y方向高度为1时所对应的光通量衰减为0
)6w}<W*1E M 0 1A P FLUX 0 0 .99 0 10 ! 0视场表面10上在Y方向高度为0.99时所对应的光通量衰减为0
*$"gaXI 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
cI=r+ OGk* 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
=e}H'5?! 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
f_imyzP 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
:gB[O>'<m 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
Ik[ s 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
1=nUW": 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
XgxX.` H7 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
Q3 eM2i8 Y 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
Z{
u a=0 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
m "M("% 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
I`w4 Xrd 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
h8X g`C\ 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
#Cn Hf GSO 01 5 P ! 控制弧矢面上5条光线产生的OPD
d @*GUmJ END ! 结束
5|I [>Su 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。
xxm%u9@s 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。
] )"u+ >^ OC{~Az
N~ ?{UOZd 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。 GCttXAto 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。
X<MO7I
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：
O$g_@B0E1
CHG ！改变透镜
AEC 11 1 ！自动控制边缘厚度不小于1mm，权重为1，窗口为1
ACC 41 1 ！自动控制元件中心厚度不大于4mm，权重为1，窗口为1
LUL100 1 1 A TOTL ! 系统总长上限为100mm
M 510 A P YA 0 0 1 0 LB1 ! 0视场表面14的边缘光线高度目标值为5，权重为10；LB1-倒数第2个面
M 0 1A P FLUX 0 0 1 0 LB1 ! 0视场表面14上在Y方向高度为1时所对应的光通量衰减为0
M 0 1A P FLUX 0 0 .99 0 LB1 ! 0视场表面14上在Y方向高度为0.99时所对应的光通量衰减为0
M 0 1A P FLUX 0 0 .98 0 LB1 ! 0视场表面14上在Y方向高度为0.98时所对应的光通量衰减为0
M 0 1A P FLUX 0 0 .97 0 LB1 ! 0视场表面14上在Y方向高度为0.97时所对应的光通量衰减为0
M 0 1A P FLUX 0 0 .96 0 LB1 ! 0视场表面14上在Y方向高度为0.96时所对应的光通量衰减为0
M 0 1A P FLUX 0 0 .95 0 LB1 ! 0视场表面14上在Y方向高度为0.95时所对应的光通量衰减为0
M 0 1A P FLUX 0 0 .94 0 LB1 ! 0视场表面14上在Y方向高度为0.94时所对应的光通量衰减为0
M 0 1A P FLUX 0 0 .93 0 LB1 ! 0视场表面14上在Y方向高度为0.93时所对应的光通量衰减为0
M 0 1A P FLUX 0 0 .92 0 LB1 ! 0视场表面14上在Y方向高度为0.92时所对应的光通量衰减为0
M 0 1A P FLUX 0 0 .91 0 LB1 ! 0视场表面14上在Y方向高度为0.91时所对应的光通量衰减为0
M 0 1A P FLUX 0 0 .85 0 LB1 ! 0视场表面14上在Y方向高度为0.85时所对应的光通量衰减为0
M 0 1A P FLUX 0 0 .8 0 LB1 ! 0视场表面14上在Y方向高度为0.8时所对应的光通量衰减为0
M 0 1A P FLUX 0 0 .7 0 LB1 ! 0视场表面14上在Y方向高度为0.7时所对应的光通量衰减为0
M 0 1A P FLUX 0 0 .5 0 LB1 ! 0视场表面14上在Y方向高度为0.5时所对应的光通量衰减为0
M 0 1A P FLUX 0 0 .3 0 LB1 ! 0视场表面14上在Y方向高度为0.3时所对应的光通量衰减为0
GSO 0.1 5 P ! 控制弧矢面上5条光线产生的OPD
GSR 01 5 P !控制弧矢面光线网格中所产生的光线像差
SNAP ！设置PAD图更新频率，每一次优化更新一次
并进行模拟退火（22,1,50），最后得到镜头结构如图6所示：
4_D@ST% 图6 优化后的六片透镜结构
CW窗口输入SYNOPSYSAI>FLUX100 P 14,然后点击“Enter”键。得到通过FLUX指令计算出的高斯强度分布引起的光通量衰减，如下图所示。
光通量完全控制在10%均匀度的目标范围内。可以使用全球面透镜来完成整形器设计，但是需要六片透镜。
首先在CW中输入指令OFF27，即关闭开关27。然后在CW中输入MFP指令，点击“Enter”键。打开MFP对话框进行以下设置：
y?)}8T^ 得到足迹图：
1TM~*<Jb 六片透镜系统的输出光线分布。光线更多地散布在中心附近，并在边缘压缩，这对光束整形器来说非常好，使得光束均匀化。
接下来，使用DPROP命令分析衍射传播特性。在CW中输入：
CHG !改变透镜
CFIX !固定孔径光阑，建议在运行DPROP时固定光阑。原因是：如果衍射发送少量的能量，DPROP程序通常会检查比镜头允许区域更大的区域。
1 TH0 !表面1厚度为0mm
END !结束
DPROPP 0 0 13 SURF 3 R RESAMPLE !设置衍射传播参数
DPROPP 0 0 13 SURF 3 R RESAMPLE 的含义： {i*2R^5
DPROP-衍射传播
P-主色
第一个0- Y方向的0视场
第二个0-X方向的0视场
13-表面13
SURF-绘制一个波阵面透视图，波阵面落在表面13的顶点平面上
3-曲面图的高度
R-设定该曲面的视角为右视角
RESAMPLE-多重采样
得到DPROP分析图如下：
-L3|& O_ #-" VS-.<
tj*y)28-
v`c$!L5
{u\%hpD_
'&FjW-`"
G
n q1 9 Q)
R|P_GN6 >
Q*YYTmZ
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