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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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    离线小火龙果
    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\
    {c6=<Kv  
    S3q&rqarC%  
    然后，点击“Open MACro”按钮，打开宏C15M1，该文件中的代码如下：
    T:27r8"Rh  
    RLE                                       !镜头输入文件起始点
    d`QN^)F0#  
    ID LASER BEAM SHAPER   ! 镜头标识
    52@C9Q,  
    WA1 .6328                            ! 定义单个波长，单位为um
    ;"a=gr  
    UNI MM                                !透镜单位为mm
    3atBX5  
    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
    *D'22TO[[!  
    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
    D>`xzt'.6  
    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
    tIWmp30S  
       SF6                          
    ew>XrT=Zm  
    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；              
    8o3E0k1  
                                      ! 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；
    vDp8__^  
    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
    d2*fLEsF  
    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;
    Ansk,$  
    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
    dH;8mb|#'  
    AFOCAL                  ! 设置系统无焦
    ${<%" hR$  
    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
    6|gCuT4  
    接下来，检查能量密度，通常有多种方法：
    方法一：FLUX指令
    sfpZc7  
    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。
    mUNn%E:7@{  
    FLUX100 P 3 的含义：
    t;|@o\  
    数字100-追迹的光线数目
    5VfyU8)7X  
    字母P-主波长
    G4Q[Th  
    数学3-表面3
    方法二：FLUX像差
    T.])diuvj-  
    首先在CW中输入SYNOPSYSAI>STEP= 100,然后点击“Enter”键。
    pd:WEI ,  
    piJu+tUy  
    然后运行宏C15M2一次，其代码为： `{f}3bO7C  
    >"??!|XG^  
    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
    +cJL7=V&  
    COMPOSITE                                       ! 定义复合像差
    Jz\%%C  
    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
    q;B4WL}  
    =CD1                                 ! 计算结果将自动放入文件夹FILE的位置1
    a4m n*,  
    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；
    kDEXN  
    = 1 +Z1           ! 将1添加到结果中，这是总的光通量，因为Z1是衰减量。
    ny]?I  
    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
    x!?u^  
    $POu\TO  
    最后在CW中输入SYNOPSYSAI>DD,然后点击“Enter”键。
    9>= ;FY  
    这样，就得到了高斯型光通量分布。 从图中可以看出，高斯型通量分布为OBG定义的1/e**2点的两倍。
    .8 2P(}h  
    在PAD图中点击图标 按钮打开工作表，然后点击图标，再单击PAD图的右侧放置透镜。重复上述操作，为系统添加两个透镜，如图2所示。
    图2 添加两个透镜后的系统结构
    首先点击按钮设置检查点，然后运行优化宏C15M3，其代码为：
    _:ReN_0  
    )\1@V+!E%  
    CHG              ！改变透镜
    8Q.T g.  
    NOP              ！移除所有表面拾取和求解
    OyStqi  
    9UMC           ！UMC指令求解表面9的曲率
    N+9VYH"*  
    END              ！结束
    Mc? Qx  
    L 8c0lx}Nn  
    PANT            ! 定义变量参数
    AgWa{.`f:  
    VLISTRAD ALL  ! 改变所有表面半径
    (j%~u&+-  
    VLISTTH 3 5 6 7 8  ! 改变表面3，表面5，表面6，表面6，表面8的空气间隔
    a1g,@0s  
    =%BSKSG.  
    END                        ! 结束  
    *1ilkmL%  
    f- K+]aZ)  
    AANT                     ! 定义像差参数
    ;"xfOzQ  
    AEC 11 1             ！自动控制边缘厚度，防止边缘太薄，目标值为1，权重为1，窗口为1
    2% MC Yn  
    ACC 41 1            ！自动控制元件中心厚度，防止中心厚度太厚，目标值为4，权重为1，窗口为1
    %h hfU6[  
    ACA60 10 1         ! 自动控制临界角，防止光线超过临界角，导致光线失败
    ;d@#XIS&-(  
    LUL100 1 1 A TOTL  ! 系统总长不超过100
    M 510 A P YA 0 0 1 0 9                ! 0视场表面9上的边缘主光线高度目标值为5mm，权重为10
    ,dv+p&Tz2  
    M 510 A P YA 0 0 1 0 10              ! 0视场表面10上的边缘主光线高度目标值为5mm，权重为10
    ({ +!`}GY  
    M 0 1A P FLUX 0 0 1 0 10      ! 0视场表面10上在Y方向高度为1时所对应的光通量衰减为0
    Yc`o5Q\>  
    M 0 1A P FLUX 0 0 .99 0 10   ! 0视场表面10上在Y方向高度为0.99时所对应的光通量衰减为0
    6{@w="VT  
    M 0 1A P FLUX 0 0 .98 0 10   ! 0视场表面10上在Y方向高度为0.98时所对应的光通量衰减为0
    -$t{>gO#Y  
    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
    l94b^W}1)W  
    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
    u^^vB\"^  
    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
    UZWioxsKr+  
    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
    ^NLmgw Q  
    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
    el&0}`K  
    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
    aR[JD2G  
    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
    q?H|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
    mWv3!i;G<s  
    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
    R &n Pj~  
    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
    'HO$C, 1]  
    M 0 1A P FLUX 0 0 .5 0 10     ! 0视场表面10上在Y方向高度为0.5时所对应的光通量衰减为0
    %7QV&[4!  
    M 0 1A P FLUX 0 0 .3 0 10     ! 0视场表面10上在Y方向高度为0.3时所对应的光通量衰减为0
    #?RU;1)Cw  
    GSO 01 5 P                            ! 控制弧矢面上5条光线产生的OPD
    d|jNf</`  
    END                                            ! 结束
    ;RH;OE,A  
    SNAP                                       ! 设置PAD更新频率
    SYNO100                                !程序优化次数为100次
    优化后的镜头结构,如图3所示。您的结果可能会有所不同，由于您点击插入元件的确切位置是不可预测的。
    `b?R#:G  
    图3 通过优化光通量像差的镜头
    再次评估光通量均匀性。CW窗口输入SYNOPSYSAI>FLUX100 P 10,然后点击“Enter”键。得到通过FLUX指令计算出的高斯强度分布引起的光通量衰减，如下图所示。光通量并没有改善。
    R$EW4]j  
    5v[*:0p'  
    2kqup)82e  
    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。
    7( #:GD  
    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。
    y>S.?H:P  
    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：
    c|f<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：
    oxr#7Ei0d  
    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：
    "H2EL}3/]  
    得到足迹图：
    (|F*vP'  
    e*sfPHt  
    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
    87=&^.~`  
    DPROPP 0 0 13 SURF 3 R RESAMPLE 的含义： .Q<>-3\K  
    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：
    XYQ/^SI!:  
    Qo>b*Ku;  
    zlyS}x@p  
    K:J3Z5"  
    -<6\1J  
    O8^A5,2@3>  
    {GvJZ!,RCg  
    /pm]BC  
    rDl*d`He!  
    }#3V+X  
    A4Rug\p]  
    !H#bJTXB  
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