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\
=M'M/vKD
*vt5dx B
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
(XA=d
4 ID LASER BEAM SHAPER ! 镜头标识
%Xs3Lz WA1 .6328 ! 定义单个波长，单位为um
<6QG7 i UNI MM !透镜单位为mm
bwo-9B 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
x2x) y08 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
6(awO2{BP 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
9< u^.w SF6
#[0:5$-[ 3 UMC 0.3 YMT 5 ! UMC指令求解表面3的曲率，给定边缘光线的角度为0.3；
W9n0J v ! YMT指令求解在表面4上边缘光线高度为5mm时所对应的厚度；
S$J}>a#Ry 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
_nu,ks+ 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;
WeDeD\zy 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
pm$2*!1F( AFOCAL ! 设置系统无焦
e~R ;
2bk END !结束镜头输入文件
点击PAD图标
或在CW窗口输入SYNOPSYS AI>PAD,得到该透镜系统的二维图，如图1所示： 图1 粗略猜测用于激光束整形器的初始系统
, d T.q 接下来，检查能量密度，通常有多种方法：
方法一：FLUX指令
w}+#w8hu CW窗口输入SYNOPSYSAI>FLUX100 P 3,然后点击“Enter”键。得到通过FLUX指令计算出的高斯强度分布引起的光通量衰减，如下图所示。
%x@
D i`; FLUX100 P 3 的含义：
HDQhXw!!hc 数字100-追迹的光线数目
,: g.B\'Q 字母P-主波长
fm$eJu 数学3-表面3
方法二：FLUX像差
n,sf$9" 首先在CW中输入SYNOPSYSAI>STEP= 100,然后点击“Enter”键。
U
|I>CDp ?_mcg8A@@* 然后运行宏C15M2一次，其代码为： wKF # 8Y
zR TR 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
W}m-5L COMPOSITE ! 定义复合像差
F*V<L 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
b`"E(S / =CD1 ! 计算结果将自动放入文件夹FILE的位置1
r /v 'h@ 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；
M|!^ #!a( = 1 +Z1 ! 将1添加到结果中，这是总的光通量，因为Z1是衰减量。
P^m+SAAB 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
dxqVZksg(9 KHwzQ<Z3 最后在CW中输入SYNOPSYSAI>DD,然后点击“Enter”键。
+|}R^x`z 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。
[h>|6%sW
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： k N3 T/96 z_%G{H+:l CHG ！改变透镜
Jf\lnJTyU8 NOP ！移除所有表面拾取和求解
s_]p 6M 9UMC ！UMC指令求解表面9的曲率
F) w.q END ！结束
").MU[ q%Y *r!f! eA: PANT ! 定义变量参数
l ;i,V;@ t VLISTRAD ALL ! 改变所有表面半径
aE}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
Bvzu{B% G| 7\[!R END ! 结束
.C^ 1.) &gJKJ=7 AANT ! 定义像差参数
,# 3}TDC 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
oI=7 X*B9 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
[NcS[*qp 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
^NJ]~h{n$ 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
e&[gde( 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
rkhQoYZ[ 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
8
v NgePn 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
eUQ., mP 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
=4GJYhj 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
5 e:Urv77 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
K/RQ-xd 4 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
[?)=3Pp 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
216+ tX5Z 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
}Ictnb 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
vQrc e& 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
*]2LN$ 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
KDwz!:ye 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
Y wGc[9=n 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
MWf ]U 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
ps0wN%tA 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
x4v@Kk/ GSO 01 5 P ! 控制弧矢面上5条光线产生的OPD
8+vZ9!7 END ! 结束
y e!Bfz> 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。
tB .;T0n 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。
1lyJ;6i 6L 3oX%tx
"^-U#f>k 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。 .4={K)kz|F 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。
.d`+#1Ot(
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：
l n.kEhQ3B
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：
,CW]d#P| 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：
>JT{~SRB|Y 得到足迹图：
m%V+px 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： m^ zx &
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：
w?ssV nPq\ J~M
lEi,duS)
d$ Mk
tW5 \Ktjno
"_+X#P
x
)hk=wu6
FW7+! A&F
cJA0$)JP&
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