GDOESII：图像转GDSII的开源软件

SoftwareX 9（2019）126原始软件出版物GDOESII：用于衍射光学元件设计和相位掩模转换为GDSII光刻文件的软件Raghu Dharmavarapua，b，c， Raghu，Shanti Bhattacharyaa，Saulius Juodkazisb，ca印度马德拉斯印度理工学院电气工程系NEMS和纳米光子学中心（CNNP），印度钦奈b澳大利亚斯威本科技大学科学、工程和技术学院微光子学中心，Hawthorn VIC 3122c墨尔本纳米纤维中心，ANFF，151惠灵顿路，克莱顿，VIC 3168，澳大利亚ar t i cl e i nf o文章历史记录：2018年11月23日收到2019年1月16日收到修订版2019年1月16日接受保留字：衍射光学器件图像到GDSII转换Pythona b st ra ct我们开发了一个开源软件它可以从DOE计算出所需平面上的光强分布该软件还可以将DOE的相位轮廓从标准图像格式（例如JPG和PNG）转换为光刻图形格式GDSII以用于制造目的。此程序中使用的转换算法将相邻的相同值像素分组，并创建单个单元，而不是为图像文件中的每个像素创建一个单元这将导致更快和更小的输出GDSII文件大小。转换成多层GDSII格式也可以用于灰度光刻。我们显示，作为一个例子，模拟，GDSII转换，制造和实验结果的情况下的艾里光束发生器。GDoeSII为衍射光学研究人员提供了一个完整的平台，从模拟到光刻文件准备。©2019作者由爱思唯尔公司出版这是CC BY许可下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）中找到。代码元数据当前代码版本v1用于此代码版本的代码/存储库的永久链接https://github.com/ElsevierSoftwareX/SOFTX_2018_239法律代码许可证CC by NC 3.0使用的代码版本控制系统使用Python 2.7编译要求、操作环境依赖性Windows操作系统（7及以上）如果可用，链接到开发人员文档/手册问题支持电子邮件gdoesii@gmail.com软件元数据当前软件版本1.0此版本可执行文件的永久链接www.gdoesii.com法律软件许可证CC by NC 3.0计算平台/操作系统Windows OS（7及以上）安装要求依赖关系无如果可用，请链接到用户手册-如果正式出版，请在参考列表中引用出版物NA问题支持电子邮件gdoesii@gmail.com*通讯作者：NEMS和纳米光子学中心（CNNP），电气工程设计，印度理工学院马德拉斯，印度钦奈600036。电子邮件地址：raghu. ee.iitm.ac.in（R.法摩瓦拉普）。https://doi.org/10.1016/j.softx.2019.01.0121. 动机和意义衍射光学元件（DOE）是薄的相位或振幅元件，其借助于衍射来操作以产生任意的衍射光。2352-7110/©2019作者。由爱思唯尔公司出版这是CC BY许可下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表SoftwareX期刊主页：www.elsevier.com/locate/softxR. 达尔马瓦拉普湾Bhattacharya和S.Juodkazis/SoftwareX 9（2019）126127Fig. 1. 标量衍射理论的平面几何学。光的分布衍射光学元件的例子包括衍射光栅、菲涅耳波带透镜[1]和衍射轴棱锥[2]等。衍射光学元件广泛用作光束整形元件、透镜和其他必要的光学元件。DOE的典型设计流程如下：（1）使用G-S算法[3]、简化网格技术[4]、折射元件的模2π转换或解析方程[5]等技术计算DOE相位轮廓;（2）使用标量衍射方程模拟光场;（3）使用光刻技术制造，然后进行实验验证。在本文中，我们提出了GDoeSII，一个所有功能于一身的软件与图形用户界面，它允许用户执行标量图三.行中相同值的像素的数目2. 软件描述2.1. 衍射光学模块在本节中，我们将讨论DOE模拟器模块背后的理论背景。问题的几何形状如图1所示。我们使用菲涅耳和夫琅和费标量衍射积分来计算来自DOE的期望平面处的场分布的强度该软件使用菲涅耳（近场）衍射积分方程。（1）计算离DOE平面距离z处的复场U（x， y， z衍射模拟，然后将相位分布从U（x y2）=eikze jk（x2+y2）{U（）ejk（2+η2）}e−j2π（x+yη）d d标准图像格式，如JPG和PNG到GDSII格式，进一步的光刻工艺。以下各节解释了软件，，jλz2 zn，η2zλzη，（一个）具体如下：1.DOE模块，2.GDSII转换模块。一个例子中，模拟和实验结果显示的情况下，艾里光束产生。其中，x、y是观察平面中的坐标，λ、η是DOE平面中的坐标，k是波矢量，λ是光的波长简化版的Eq。（1）、已知图二. 衍射光学模拟模块。128R. 达尔马瓦拉普湾Bhattacharya和S.Juodkazis/SoftwareX 9（2019）126见图4。（a）原始图像，转换后的GDSII文件（b）2级（c）4级（d）8级。图五. GDSII转换模块。R. 达尔马瓦拉普湾Bhattacharya和S.Juodkazis/SoftwareX 9（2019）126129∫∫λz··见图6。基本结构的周期性阵列可以使用该模块创建。见图7。GDS文件转换时间和输出文件大小（a）对于不同的图像大小（b）对于相同的图像，但在输出GDS文件中的层数不同。作为Fraunhofer衍射（远场）积分，（2）用于计算远场的复场。K222.2. GDSII转换模块模拟后的下一步是制造物理U（x，y）=2019 - 05 - 22 01：02 01：03 02：04 0302：0302：04 02：03 02：0302：03 02：02 0302：0jλzn，η）e−j2π（x+yη）ddη（二）能源部大多数光刻系统，如电子束光刻（EBL）和光/紫外光刻系统接受DOE阶段等式（1）和（2）在下列条件下产生相当准确的结果[6]：衍射孔径必须大于波长λ;衍射场必须不太靠近光圈观察2.1.1. 实验设计模块描述图2示出了衍射光学模块布局。用户可以使用上传相位和上传强度按钮导入需要在输入平面模拟的所需相位和强度。其他参数如波长、像素大小、相位范围和强度范围可以使用文本框输入。近场和远场强度可以通过分别点击Fresnel at z和Compute Farfield按钮来查看。用户需要指定所需的距离（z），以便查看近场强度。模拟结果可以分别使用保存按钮保存到磁盘上。设计只有GDSII格式。研究人员通常不得不依赖于昂贵的软件来完成这一转换步骤。为了解决DOE设计周期中的这一重要步骤，我们添加了GDSII转换模块，用于将DOE相位轮廓从标准图像格式（如JPG和PNG）转换为GDSII格式。典型的图像到GDSII的转换过程涉及在GDS文件中为图像文件中的每个白色或深色像素创建一个正方形像素这个过程需要很长的时间，输出的GDS文件大小通常非常大。在我们的方法中，所需的相位图像首先被转换成0和256之间的灰度值的2维阵列然后，该算法扫描阵列的各行，并在一行中查找任何具有相同值的像素序列如果找到序列，算法将使用序列的第一个和最后一个索引将其渲染为输出GDSI文件中的线段此线段占用的内存要少得多，因为它只表示130R. 达尔马瓦拉普湾Bhattacharya和S.Juodkazis/SoftwareX 9（2019）126√λ×zR图8.第八条。 分析和模拟贝塞尔光束之间的比较（a）和（c）分析贝塞尔光束的横向和线轮廓（b）和（d）GDOESII模拟贝塞尔光束的相应横向和线轮廓。通过第一个和最后一个像素而不是线段中的所有像素在我们的程序中使用的分组方法如图所示。3.第三章。该算法还可以通过将图像量化为n个强度级别的阵列来将图像文件转换为n个分层的GDSII目前，该软件支持转换成64个级别。但是，用户可以自由修改源代码，以达到他们想要的水平这对于使用3D光学元件的研究人员非常有用。作为一个谨慎的世界，使用太多的级别可能会导致显着的输出文件大小和计算时间。 图4显示了使用GDoeSII分别转换为2、4和8个级别的图像。2.2.1. GDSII转换模块描述图 5显示了GDSII转换模块的布局。需要在文本框中输入像素物理大小对于灰度模拟版本。在第二个例子中，我们显示模拟和实验产生的艾里光束之间的3.1. 示例A：贝塞尔光束贝塞尔光束[7，8]是所谓的无衍射光束。这些光束的近似值可以用轴棱锥实验产生。贝塞尔光束的解析表达式由下式给出，E（r，φ，z）=A·exp（ikz z）J0（kr r），（3）其中A是振幅，kz和kr是满足方程k= 2π=k2的纵向和横向波数 +k2图像，输出GDSII文件中的层数可以从菜单中选择该软件自动量化的灰度图像转换成GDSII格式之前，到所需的水平数量阵列的基本形状，如圆形，三角形和矩形可以创建使用周期性的形状（图。 6）菜单。有两种型号可供选择。模式0创建一个单位单元并在行x列的阵列上引用它，而模式1在行x列的阵列中的每个点处创建一个单位单元与模式1相比，模式0测量以下参数以评估软件的性能。图7（a）示出了对于不同大小的输入图像的转换时间和输出GDS文件大小 图 7（b）显示了转换时间和输出GDS文件的大小时，一个单一的图像（2000 2000）被转换为多层GDS文件。但是，这些数字可能会随着计算机的硬件容量而变化3. 说明性实例在本节中，我们将展示两个示例案例。首先，我们比较了贝塞尔光束的解析形式和λ是波长。贝塞尔光束可以通过com-计算了高斯光束入射时轴棱锥位相分布的菲涅耳积分。 图图8（a）是使用等式（1）绘制的横向强度。（3）和图。图8（b）是从轴棱锥的GDOESII模拟中提取的，并重新绘制以匹配图8（b）的色图。第8（a）段。图8（c）和（d）分别示出了沿着（a）和（b）的中心的线图。可以看出，模拟与Bessle梁的解析形式非常一致3.2. 实施例B：艾里光束在本节中，我们展示了艾里光束的模拟、制造和实验结果[9]。艾里光束是傍轴衍射方程的非衍射解 艾里光束可以使用立方相位分布来产生，如图2所示。9.第九条。图中所示的相位分布。9被转换成GDSII格式，并使用电子束光刻（Raith 150 TWO）系统制造。这些结果总结在图10中。图图10（c）示出了实验产生的艾里光束，其与图10（c）中所示的模拟强度分布相匹配。 9（b）.R. 达尔马瓦拉普湾Bhattacharya和S.Juodkazis/SoftwareX 9（2019）126131见图9。（a）立方相位轮廓（b）z=10 cm处的艾里光束强度（菲涅耳）。图10个。（ a）GDSII转换图像（b）DOE的共焦显微镜图像（c）艾里光束的实验CCD图像。将JPG和PNG等图像格式转换为GDSII（也是多层）格式所需的时间非常短，从而创建更小的文件大小。当图像文件中存在弯曲特征时，这种转换会出现一个问题。 图图11示出了GDSII文件的弯曲段，其清楚地示出了粗糙的脊。软件的未来更新将侧重于算法的改进，以准确转换曲线元素。致谢研发部感谢VijayaKumar博士、Soon Hock Ng博士、VandhanaNarayanan和Sripriya在测试软件方面所做的贡献。这项工作部分是在澳大利亚4. 影响图十一岁 GDSII设计示例中的弯曲区域。国家制造设施（ANFF）。我们感谢澳大利亚研究委员会（DP190103284）的部分支持。引用该 领 域 的 新 研 究 人 员 通 常 依 赖 于 昂 贵 的 软 件 （ 例 如 ，VirtualLab Fusion（LightTrans Int）用于其模拟。在实验部分，他们再次依靠商业软件，如LinkCAD，将他们的相位设计从图像转换为GDSII格式，因为大多数光刻工具不提供将图像文件转换为GDSII格式的功能除了从事光学工作的研究人员外，GDoeSII的图像到GDSII转换模块对从事微纳光刻/制造的研究人员也非常有用。5. 结论我们介绍了GDoeSII，一个基于Python的软件，用于MicrosoftWindows平台，便于计算衍射光学元件产生的强度分布。该程序还使用户能够将相位剖面从[1]Shiono T，Setsune K.利用电子束写入与乾式显影制作闪耀反射微菲涅尔透镜。Opt Lett1990;15（1）：84-6.[2]戈卢布岛菲涅耳轴棱锥。Opt Lett 2006;31（12）：1890[3]Gerchberg R，Saxton W.一种从象面和衍射面图象确定相位的实用算法。Optik（Jena）1972;35：237.[4]巴塔查里亚用于波束成形设计的简化网格技术衍射光学元件Optik-Int J Light Electron Opt 2008;119（7）：321[5]Bhattacharya S，Vijayakumar A.用MATLAB设计和制作衍射光学元件。出版社：SPIE Press ， 2017 年 ， 网 址 ： https ： //books 。google.com.au/books?id=tGcEMQAACAAJ。[6]古德曼JW。傅立叶光学简介罗伯茨出版社;2005年，[第4章]。[7]放 大 图 片 作 者 ： McGloinD ， Dholakia K. 贝 塞 尔 光 束 ： 衍 射 的 新 视 角 。Contemp Phys2005;46（1）：15-28.[8]DharmavarapuR，Bhattacharya S，Juodkazis S.衍射光学用于轴向干涉贝塞尔光束的空间整形J Opt 2018;20（8）：085606。[9]张晓刚，王晓刚. 加速艾里光束的观测。物理学评论快报2007;99 （21 ）：213901。