《Zemax激光光学设计实例应用——自学案例汇编》之<Zemax光纤输出光斑整形光源的选择问题（非序列模式）>
简介：这份材料是作者自学Zemax光学设计及在实践中应用的案例汇编，提供初学者使用软件作光学系统设计练习，整个过程需要Zemax光学系统设计软件。使用的软件版本为比较常见的2005或2009。因两个版本在某些菜单列表和窗口形式上的些许差异，读者需自行对比测试。最开始的一些例子是基于目前比较常见的教材和习作而进行的细化论述，以丰富本文内容同时对初学者入门更有帮助。作者才疏学浅，不保证该文本的科学性和有效性，其主要作用在于帮助自己对知识进行积累、回顾和追溯。文中会对各个实例的关键位置进行尽量详细的叙述，以达到尽可能全面地掌握知识的目的。本文基于理论与实践的结合，不仅描述如何设计一套光学系统，并且讨Zemax激光光学设计实例应用—自学案例汇编FN∏A TWUZ图18-43D光路结构图(混合序列模式)为了减少麻烦,用不着重新在非序列模式中编辑所有组件;我们可以将上述例子直接转换到非序列模式下。步骤为,主菜单 Tools→ MIsce1 aneous→ Convert to NsC Group,在弹出的对话框中,选择要转换的序列范围,比如,这里是从 Surface2到 Surface13,同时注意勾选 Convert file to non- sequenti al mode,确定后即可转换为非序列模式,透镜元件都在。不过,你会发现,原来已有的非序列组件不能转换过来,自动消失了。不过没关系,重新编辑缺失的组件即可。如图18-5所示,添加一个圆柱体(光纤)组件,再添加若干个探测器(方便自己观察的位置即可)BI Non-Sequential Component EditorEdit Solves Errors Detectors Database Tools ViEW Helpobject Typecomment2P351t1hMaterial Front FZ LengthBack rinder volume.050standard I erF1510.70N-5F64R.00冂.000.250standard LerF1511.820N一LAKs.50n6250Toroid a Lers surfaces00Q2.530standard Lerssurfaces45,440D.00Qtandard Lers surfaces4,3200。000standard Lers surfaces47.3z0BA/.0005,350Detector民ect116.000Detector Fect5.200200图18-5非序列光学组件列表接下米,我们米重点说一说光源的选择问题。因为光源的选择会明显影响仿真的实际效果。这里,我们需要个发散型的光源,发散角基本要和光纤的数值孔径相同,光源放在光纤前端——入射端。非序列光源组件有多种类型叫选,包括椭圆形光源 Source e1 lipse半导体光源 Source diode等等。这些可改置发散角的光源是否都满足要求呢,我们要看《 Matlab辅助激光光学分析与应用》作者出品Zemax激光光学设计实例应用—自学案例汇编看这些光源通过光纤组件之后输出一段距离光线的分布情况和聚焦的情况。我们首先选择椭圆形光源 Source e11ipse作为输入光源,放在光纤输入端。表面上看,椭圆形光源 Source e11ipse是一个面光源,可以分别设置两个半轴长度,但实际也是无穷远点光源。要设置光源的发散角,则需要改变发光源的位置,从无穷远改为有限距离。obiectcomment z Position Material*LayoutSourcepie50.020500000Power (wat.. wavenumber color# x Half wi.. Y Half wi.source Di..1.0000.0200.0200.100图18-6椭圆光源参数设置如图18-6所示设置光源参数,类型 object Type选择 Source e11ipse,位置zPoSItion设为-50.02,绘图光线数目 Layout rays设为50,分析光线数目 AnalysisRayS改为500000,半轴长度(相当于光阑) X Half width、 Y Half width均设为0.02(小于光纤半径),光源距离 Source distance设为0.1,其他参数默认即可。如此设置,光源距离和光阑尺寸的配合,恰好获得数值孔径NA为0.2的光源。然后在光纤输岀端、距离光纤端面0.5mm的位置放置一个探测器,检测输出光线分布情况,探测器像素500,尺寸要比预测光斑尺寸略大一些(一般2倍即可)设置完华,打开3D光路结构图,如图18-7所示。可见与图18-4所示的混合序列模式没有明显区别,除了绘图光线均匀性的区别,非序列模式中绘图光线为随机分布方式,而序列模式中绘图光线为均匀分布方式将图像局部放大,观察光纤输入端和输出端,注意光线是否有溢出或者发散角与设想的是否一致等等,分别如图18-8和18-9所示。因为,笔者实测发现一个问题,减小光纤直径,到一定程度之后,就会影响输出端的光线数值孔径,似乎一部分发散角大的光线被消去,输出的光线数值孔径变小了。但是,这时如果将光纤长度缩短到一定程度后,输出光线的数值孔径又能恢复正常。这个问题具体是由什么原理、原因造成的,口前还不知道。也就是说,用这个圆柱体cy1 inder yo lume来模拟光纤,需要注意育径-长度比例,否则丢失信息,读者注意。《 Matlab辅助激光光学分析与应用》作者出品Zemax激光光学设计实例应用—自学案例汇编图18-73D光路结构图(非序列模式图18-83D光路结构图-光纤前端(非序列模式)《 Matlab辅助激光光学分析与应用》作者出品Zemax激光光学设计实例应用—自学案例汇编图18-93D光路结构图-光纤出端(非序列模式)接着,打开探测器观察窗口,再打开光线追迹控制器,追迹所有探测器光线。这里,我们放置了两个探测器,分别在光线输出端口和光线聚焦位置。先看光纤输出端的光线分布,如图18-10所示为相干模式下,光纤输出端附近的光斑形状及光线密度分布情况,从图上看,分布不是很均匀,但大体还是可以看出光斑整体轮廓效果:;再切换到非相干模式下,如图18-11所示,我们看到这时光线分布严重不均匀,甚至光斑轮廓都看不到了,这显然已经和实际经验相去甚远了。133,S1l5宁,四了了4:1F315宁,H4,529,总92H,3屮DETEC T0R工MRGE: COHEEENT工RRFD工FNCED: YHG旺 AM BELTVERT SIST日正,屮日國翼的,题 H NILLLHETERXELS 500WX 591 H. TOTAL HITS =499993FHc:1,用92《 Matlab辅助激光光学分析与应用》作者出品Zemax激光光学设计实例应用—自学案例汇编图18-10探测器光线分析-光线输出端(相干模式)291625222三51292H1DETECTOR工HGE: INCOHERENT RR工HNE正囚,"HM工ET防.PIEs5EW5〗H.卫THT=曾們EF工RRR工RNCE40TE+004 HATTSCH 2TOTHL POWERi 9 9998E-00L HTT5图18-11探测器光线分析-光线输出端(非相干模式)121,5L,2272,55四DETE匚TDR工NRGE: COHERENT工 =EDLNCEND: HG BERM ELTWERY STSTEMTUE MAY正 ETECTOR 9. NSCG SLRFRCE正EW2@H山工TE,FE§5W5H,TfHT=2PEF TRRAOTFNCE i 12785E+00L ATTSCH"?OTAL POWER2.5占5E-2 MATTS图18-12探测器光线分析-聚焦光斑(相干模式)《 Matlab辅助激光光学分析与应用》作者出品Zemax激光光学设计实例应用—自学案例汇编r94:15屮714,72535,32555,123827E58 8317ETEGTUE工MRGE: INCOHEENT RRH工RNCELD: YAG BERM DELIVERY SYSTE1RCE 1SLZE 4I LX 21DE5 H MILLLHE TER PLNELS 59 5X 505 H. OTAL HTs =197978CE::60:m2TOTHL FILER图18-13探测器光线分析-聚焦光斑(非相干模式)再看另外一个探测器,光线经过透镜光学系统整形聚焦后的光斑形状和光线分布情况,相干模式和非相干模式分别如图18-12和18-13所示。同样,相干模式虽然分布也不均匀但基本还能看出光斑轮廓为以椭圆光斑;而非相干模式下,光线分别很不均匀,看上去光斑形状也不是椭圆形,而是一个变形了的菱形。于是,笔者怀疑光源的选择和设置可能不人合理。可能是由于光源本质还是一个点光源,即使通过光纤(圆柱体)后光线也没能有效匀化所致。那么,换一个光源类型,比如半导体光源 Source diode会不会更好一些。如图18-14所示,光源类型选择 Source diode,位置 z Postion设为-50.02,绘图光线数目Layout rays设为50,分析光线数目 Analysis Rays设为500000,发散角X- Di vergence、Y- DI vergence均设为12(匹配光纤数值孔径),其他参数默认即可。如此设置,获得的数值孔径NA差不多也为0.2的光源ε然后同样在光纤输出端、距离光纤端面0.5mm的位置放置一个探测器,检测输岀光线分布情况,探测器像素500,尺寸要比预测光斑尺寸略大一些(一般2倍即可)。更新3D光路结构图,放大观察光纤入射端和输出端的光线情况,分别如图18-15和18-16所示,可见都还比较正常,没有溢出光线,输出发散角也比较合理。《 Matlab辅助激光光学分析与应用》作者出品Zemax激光光学设计实例应用—自学案例汇编object TypeComment Position Material+ I ayout.*Analysi.Source diode0,U∠0object Type Astigmatismx-Diver ge.X-superGa.Y-Diverge.Y-superGasource D1 odel0.0D012.000.0112.0000.01图18-14导体光源参数设置图18-153D光路结构图-光纤前端图18-163D光路结构图-光纤输出端《 Matlab辅助激光光学分析与应用》作者出品Zemax激光光学设计实例应用—自学案例汇编311,忌HL428,总5732屮9,"F31之18,28187,1H6」5s.92712,3白占2,3日318H1JE TEG TOR工MRGE:Cu仨RENT工 CERO LHNGELD: YAG BERM DELIVERY SYSTE1灯T职R1, NSCE RFACE L江正区W翼四,HM工能防,PXL5E的日H.ILHT=8工RRRL工FNCE:3,1L8HE+2H^2TOTHL PERB,5551E-图18-17探测器光线分析-光线输出端(相干模式)H⑦13屮131忌3L7s叫sDETECTOR工MRGE:工 COHEZET工RRR囗工FCEHG BERM DELIVERY SYSTE正 TECTOR10. NSCG EURFACE LX,啦H工能TE,PX555H而HT=第83工 H:z:22SrCH+图18-18探测器光线分析-光线输出端(非相干模式)《 Matlab辅助激光光学分析与应用》作者出品
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专用集成电路设计实用教程
IC设计经典教材，《专用集成电路设计实用教程》专用集成电路设计实用教程虞希清编著大學出瓶社图书在版编目(CIP)数据专用集成电路设计实用教程/虞希清编著.一杭州:浙江大学出版社,2007.1ISBN978-7-308-05113-2专..Ⅱ.虞..Ⅲ.集成电路一电路设计一高等学校一教材Ⅳ.TN402中国版本图书馆CIP数据核字(2006)第165341号专用集成电路设计实用教程虞希清编著任编辑张真封面设计张真出版发行浙江大学出版社(杭州天目山路148号邮政编码310028)(E-mail:zupress@mail,hz,zj.cn)(网址http://www.zjupress.com排版杭州好友排版工作室印刷杭州浙大同力教育彩印有限公司开本787mm×1092mm1/16印张18.25字数467千印数2001-3000版印次207年1月第1版2007年7月第2次印刷书号ISBN978-7-30805113-2定价38.00元版权所有翻印必究印装差错负责调换内容提要在现代的IC设计中,工程师们广泛地使用数字电路的逻辑综合技术。工程师们使用RTL代码和IP描述设计的功能,进行高级设计,用综合工具对设计进行编辑和优化,以实现满足设计目标的电路。根据多年为客户进行技术培训,技术支持和IC设计的经验,笔者编写了本书。书中主要介绍了IC设计的基本概念,设计流程和设计方法,并就工程师们在设计中常见的问题,提供了解决方法。本书的特点是实用性强全书共分九章,第一章概述EC设计的趋势和流程;第二章介绍用RTL代码进行电路的高级设计和数字电路的逻辑综合;第三章陈述了IC系统的层次化设计和模块划分;第四章详细地说明如何设置电路的设计目标和约束;第五章介绍综合库和静态时序分析;第六章深入地阐述了电路优化和优化策略;第七章陈述物理综合和简介逻辑综合的拓扑技术;第八章介绍可测性设计;第九章介绍低功耗设计和分析本书的主要对象是IC设计工程师,帮助他们解决IC设计和综合过程中遇到的实际问题。也可作为高等院校相关专业的高年级学生和研究生的参考书。前言本书在 Synopsys公司的逻辑综合培训资料基础上编写而成。从事EDA工作和ASIC设计已有十几年了。在给中港台ASIC设计工程师提供的技术培训和支持中,工程师们曾提出了设计和使用设计工具中遇到的各种各样的问题。教学相长,在和工程师讨论问题、提供解决方案的过程中,我得到了很多的经验和启发。在为用户解决一些实际问题,为他们提供培训后,我曾收到热情的掌声和感谢信。用户的掌声和谢意给了我很大的鼓励和鞭策,使我下决心要编写一本实用的中文版的集成电路设计教程和手册,以答谢用户们的支持和帮助。本书讲究实用性,希望其中的内容能帮助ASIC设计工程师清楚明了IC设计的基本概念,IC设计的流程,逻辑综合的基本概念和设计方法,解决进行IC设计时和工具使用时所遇到的问题。全书共分九章,第一章概述IC设计的趋势和流程;第二章介绍用RTL代码进行电路的高级设计和数字电路的逻辑综合;第三章陈述了IC系统的层次化设计和模块划分;第四章详细地说明如何设置电路的设计目标和约束;第五章介绍综合库和静态时序分析;第六章深入地阐述了电路的优化和优化策略;第七章陈述物理综合和简介逻辑综合的拓扑技术;第八章介绍可测性设计;第九章介绍低功耗设计和分析本书的主要对象是IC设计工程师,帮助他们解决IC设计和综合过程中遇到的实际问题。也可作为高等院校相关专业的高年级学生和研究生的参考书。在本书的编写过程中,得到了 Synopsys中国区高级技术经理常绍军先生的大力支持。常绍军先生、资深的应用技术顾问李昂先生和冯源先生审阅了本书,并提出了宝贵的意见和建议。在此,表示衷心的感谢。在本书编写过程中,得到了全家的支持,深表谢意!由于时间仓促,知识水平有限,书中难免有不足和错误之处,敬请各位专家,IC设计工程师和同行们批评指正,不胜感激。来函可发电子邮件( Email: victory_snps@ yahoo.com.hk)。虞希清2006年11月于 Synopsys香港目录第一章集成电路设计概论1.1摩尔定律………………∴…………11.2集成电路系统的组成1.3集成电路的设计流程第二章数字电路的高级设计和逻辑综合132.1RTL硬件描述语言设计132.1.1行为级硬件描述语言( Behavioral Level hdi)132.1.2寄存器传输级硬件描述语言( RTL HDI)172.1.3结构化硬件描述语言( Structure HDL)………………………………232逻辑综合(L。 gic Synthesis)…………………272.2.1逻辑综合的基本步骤…282.2.2综合工具 Design Compiler302.2.3目标库和初始环境设置鲁·自自音甲·是着音鲁备.··非曲●d■···●····第三章系统的层次化设计和模块划分353.1设计组成及 DC- Tcl…·自音···········日·········.···卡器日音是·晶自鲁bt·。……353.1.1设计物体( Design Object)鲁音自353.1.2 DC - Tcl简介香看·鲁·鲁·鲁.鲁自春3.2层次( Hierarchy)结构和模块划分( Partition)及修改463.2.1层次结构的概念463.2.2模块的划分…息鲁483.2.3模块划分的修改·看。51第四章电路的设计目标和约束…°。●看。面●554.1设计的时序约束…普·非鲁·鲁击曲■554.1.1同步( Synchronous)电路和异步( Asynchronous)电路…4.1.2亚稳态( Metastability)574.1.3单时钟同步设计的时序约束…血D。e574.1.4设计环境的约束724,1.5多时钟同步设计的时序约束…………794.1.6异步设计的时序约束832专用集成电路设计实用教程4.1.7保持时间( Hold Time)854.2复杂时序约束看香鲁e鲁曲鲁。自鲁自。a。自鲁自。鲁4.2.1多时钟周期( Multi-Cycle)的时序约束874.2.2门控时钟的约束904.2.3分频电路和多路传输电路的时钟约束鲁·看看看鲁924.3面积约束……………………………96第五章综合库和静态时序分析…985.1综合库和设计规则···········.······.··4·a·.·····◆···—985.1.1综合库……5.1.2设计规则1075.2静态时序分析5.2.1时序路径和分组1125.2.2时间路径的延迟1145.2.3时序报告和时序问题的诊断鲁·.···.·自击击合音。甲。。。●。。●……115第六章电路优化和优化策略…1206.1电路优化..···4····;··.·.·.·.·a·a·;··1226.1.1 Synopsys的知识产权库- Design Ware1236.1.2电路优化的三个阶段………………………1266.2优化策略…………1346.2.1编辑策略垂由d垂……1356.2.2自动芯片综合( Automated Chip Synthesis)………………………………1416.3网表的生成格式及后处理144第七章物理综合1487.1逻辑综合(L。 gic Synthesis)遇到的问题……………………1487.2物理综合( Physical Synthesis)的基本流程鲁鲁自谁…………………………1517.3逻辑综合的拓扑技术( Topographical Technology)…………162第八章可测试性设计…1748.1生产测试简介…………1748.2可测试性设计鲁D曹吾音·非·自·········着4鲁4鲁是1768.2.1物理瑕疵和故障模型1768.2.2D算法( D algorithm)1788.3测试协议( Test protocol)1858.4测试的设计规则·●鲁q鲁·音鲁鲁D鲁香曹音音音·自自··。·非鲁曲··●1908.4.1可测试性设计中的时钟信号1908.4.2三态总线和双向端口的测试。非……………………198录8.5门级网表可测试问题的自动修正2048.6扫描链的插入2088.7可测试设计的输出和流程2228.8自适应性扫描压缩技术………225第九章低功耗设计和分析2299.1工艺库的功耗模型…………2319.2功耗的分析…鲁鲁鲁……………2379.3低功耗电路的设计和优化2519.3.1门控时钟电路25293.2操作数分离………2619.3.3门级电路的功耗优化●·4·■D鲁曹春击自由2669.3.4多个供电电压( Multi-VDD)…2749.3.5电源门控………276参考文献……………………281第一章集应电路设计概记集成电路( Integrated Circuits)是现代电子设备的重要组成部分。因此,成功设计集成电路对整个电子信息技术产业的发展起到重要的作用。由于科技的发展,半导体芯片的集成化程度越来越高,设计的系统越来越复杂,规模越来越大,设计的性能越来越髙,功耗也越来越大,这些不断地给芯片设计工程师和电子设计自动化( Electronics Design Automation,简称EDA)厂商提出新的课题和挑战。1.1摩尔定律摩尔提出著名的“摩尔定律”已经40多年了。1965年4月,摩尔在《电子学( Electronics)》杂志上发表文章预言,半导体芯片上集成的晶体管数量将每年翻一番。1975年,他又提出修正说,芯片上集成的晶体管数量将每两年翻一番。晶体管数量MOORES LAWIntels Tanuma 2 Processo1000000000ante△nmtele Pentium Pr100000000Intels Pentium m Processoitels Pentium Pro10000000Intelstuma Printels*v Proces1000000Intel388 pre28610000080801000080084004●100019701975198019851990199520002005年度图1.1.1图1.1.1为在过去25年, ntel CPu中晶体管增长的情况。集成电路的规模不断地稳
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