激光掃描系統(tǒng)（LSC.0002 v1.0）

應(yīng)用案例概述

 

系統(tǒng)細(xì)節(jié)

 

? 光源

– 綠光二極管

? 元件

– 雙軸振鏡掃描儀

– F-Theta物鏡

? 探測(cè)器

– 場(chǎng)曲和畸變探測(cè)器

– 光束強(qiáng)度剖面探測(cè)器

– 焦點(diǎn)區(qū)域探測(cè)器

– 光束參數(shù)探測(cè)器

? 模擬/設(shè)計(jì)

– 光線追跡：分析掃描場(chǎng)尺寸，場(chǎng)曲以及畸變 

– 場(chǎng)追跡：考慮衍射效應(yīng)，進(jìn)行更精確的光束尺寸和剖面的研究

 

系統(tǒng)說(shuō)明

 

 

激光掃描系統(tǒng)的性能評(píng)估

 

? 一個(gè)激光掃描系統(tǒng)的掃描光學(xué)部分包含了一個(gè)掃描儀單元和一個(gè)F-Theta物鏡，在一維掃描過(guò)程中（沿入射角Theta），通過(guò)分析光束的場(chǎng)曲和畸變來(lái)評(píng)估其性能。

? 此外，計(jì)算了不同掃描位置處的光束尺寸和輪廓。

 

模擬和設(shè)計(jì)結(jié)果

 

 

其他的VirtualLab特征
 

在此案例中，你將從以下選擇的特征中獲益：

? 各種探測(cè)器

- 測(cè)量與反射鏡掃描角度相關(guān)的焦點(diǎn)位置

- 測(cè)量探測(cè)器平面上的光束位置

- 使用焦點(diǎn)區(qū)域探測(cè)器計(jì)算焦點(diǎn)區(qū)域中的場(chǎng)

? 參數(shù)耦合

- 針對(duì)掃描光學(xué)部分的期望輸入掃描角度Theta來(lái)調(diào)整反射鏡方位

? 參數(shù)運(yùn)行

- 估計(jì)掃描場(chǎng)尺寸

- 生成場(chǎng)曲和畸變圖

 

總結(jié)
 

VirtualLab可以

? 模擬一個(gè)由雙軸掃描反射鏡和一個(gè)F-Theta物鏡構(gòu)成的激光掃描系統(tǒng)

? 分析目標(biāo)平面上的光束偏轉(zhuǎn)

- 通過(guò)光線追跡來(lái)計(jì)算掃描場(chǎng)尺寸，場(chǎng)曲和畸變

- 通過(guò)幾何場(chǎng)追跡來(lái)計(jì)算光束剖面

- 場(chǎng)追跡可以更準(zhǔn)確地分析光束位置和焦點(diǎn)

應(yīng)用案例詳述

 

系統(tǒng)參數(shù)

 

應(yīng)用案例內(nèi)容

? LSC.0001和LSC.0002為激光掃描系統(tǒng)。

? 在這個(gè)案例中，通過(guò)模擬掃描過(guò)程來(lái)分析F-Theta物鏡的場(chǎng)區(qū)和畸變。

? 相對(duì)于LSC.0001，顯示了性能提高。

? 強(qiáng)烈建議首先閱讀LSC.0001。

 

file used: LSC.0002_LaserScanning_F-ThetaObjective_01_RayTracing.lpd

 

模擬任務(wù)

連續(xù)激光模

 

規(guī)格：輸入激光光束

 

激光組件中的單模二極管激光器

 

規(guī)格：電流反射鏡定位系統(tǒng)

典型雙軸振鏡掃描儀

 

規(guī)格：F-Theta物鏡概述
 

 

規(guī)格：F-Theta對(duì)象透鏡參數(shù)

 

 

 

 

 

來(lái)自目錄Schott_2014

 

詳述應(yīng)用案例
 

光線追跡模擬和結(jié)果

 

定位雙軸振鏡掃描儀

 

? 雙軸反射鏡由兩個(gè)分離的鏡子組成。

? 第一鏡將目標(biāo)光束偏轉(zhuǎn)到x方向，而光束沿第二個(gè)鏡子的旋轉(zhuǎn)軸偏轉(zhuǎn)。

? 第二反射鏡將目標(biāo)光束偏轉(zhuǎn)到y(tǒng)方向。

? 在VirtualLab中關(guān)于反射鏡的設(shè)置可以在LSC.0001中找到。

file used: LSC.0002_LaserScanning_F-ThetaObjective_01_RayTracing.lpd

 

評(píng)價(jià)掃描場(chǎng)尺寸

 

? 為了在探測(cè)器平面（視野場(chǎng)）評(píng)價(jià)掃描場(chǎng)的大小，可以執(zhí)行一個(gè)掃描過(guò)程。

? 使用參數(shù)運(yùn)行的掃描模式，通過(guò)逐步的改變反射鏡X和反射鏡Y傾斜角度直至最大機(jī)械角度±12.5°，以模擬掃描過(guò)程。。

 

 

掃描過(guò)程的結(jié)合點(diǎn)圖

 

? 上圖顯示了偏轉(zhuǎn)光束中主光線的位置，光束由于不同位置的反射鏡而發(fā)生了偏轉(zhuǎn)。由參數(shù)運(yùn)行（Parameter Run）的聯(lián)合輸出特性（Combined Output Feature）生成。

? 參數(shù)運(yùn)行的組合光斑圖可以在探測(cè)器平面上評(píng)估掃描場(chǎng)尺寸（例如50mm x50mm）。

? 此外，掃描位置位于非等距網(wǎng)格，由鏡子傾斜和實(shí)際入射掃描角Theta之間的非線性關(guān)系生成（想要更多細(xì)節(jié)，參見(jiàn)下一張幻燈片）。

file: LSC.0002_LaserScanning_F-ThetaObjective_02_ScanningProcedureAngles.run

 

反射鏡傾斜和入射掃描角Theta之間的非線性關(guān)系
 

? 為了更好地說(shuō)明反射鏡X和Y傾斜角和入射掃描角Theta之間的非線性關(guān)系，執(zhí)行相似的參數(shù)運(yùn)行（此過(guò)程中沒(méi)有使用掃描光學(xué)原價(jià)n）（參見(jiàn)下圖）。

? 這種非線性特性是由三維反射定律和兩個(gè)掃描維度分離的反射鏡引起的。

? 因此，探測(cè)器的位置位于一個(gè)非等距網(wǎng)格上。

? 為了生成一個(gè)等距網(wǎng)格，必須使用3D反射定律來(lái)解析地補(bǔ)償非線性。

 

file used: LSC.0002_LaserScanning_F-ThetaObjective_03_NonLinearBehavior.run
 

補(bǔ)償反射鏡傾斜和目標(biāo)平面上光斑位置之間的非線性關(guān)系
 

? 上一個(gè)幻燈片，我們已經(jīng)看到了反射鏡傾斜和目標(biāo)平面上光斑位置之間的一個(gè)非線性關(guān)系。在下面我們將使用VirtualLab的參數(shù)耦合（Parameter Coupling）工具來(lái)補(bǔ)償非線性關(guān)系。

在F-Theta物鏡焦平面上，光束的橫向位置線性依賴于球形入射角Theta（θ）和有效焦距（EFL）。

? 理想的球入射角Theta和Phi可以由探測(cè)器平面上的光束理想橫向位置(x,y)計(jì)算得到。

 

通過(guò)參數(shù)耦合進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)整
 

? 如前面的掃描過(guò)程所示，反射鏡傾斜和探測(cè)器平面上點(diǎn)位置之間的非線性關(guān)系可以由參數(shù)耦合中補(bǔ)償。

? 因此，對(duì)于某點(diǎn)的位置，掃描鏡的方向可使用三維反射定律來(lái)計(jì)算。

? 使用參數(shù)耦合工具，系統(tǒng)可根據(jù)三維反射定律來(lái)進(jìn)行調(diào)整。

 

 

1.用戶在成像面輸入光束的理想橫向位置

2.系統(tǒng)參數(shù)

3.輸入變量

4.源代碼編輯器（腳本定義，實(shí)現(xiàn)實(shí)際的補(bǔ)償。）

 

參數(shù)耦合腳本的輸入變量也可以通過(guò)LPD的參數(shù)預(yù)覽來(lái)進(jìn)行訪問(wèn)。

 

 

軸上的3D光線追跡分析

 

file used: LSC.0002_LaserScanning_F-ThetaObjective_01_RayTracing.lpd

 

離軸P（25，25）mm上的3D光線追跡分析

 

 

再次進(jìn)行掃描過(guò)程
 

? 使用參數(shù)運(yùn)行的掃描模式，從-10mm到10mm，在探測(cè)器平面逐步地（每個(gè)維度5步）上改變理想光束x位置和y位置，以完成掃描過(guò)程。

? 從參數(shù)運(yùn)行文檔，可以繪制場(chǎng)曲和畸變的期望的圖像，如LSC.0001所示。
 

file used: LSC.0002_LaserScanning_F-ThetaObjective_04_ScanningProcedurePos.run

 

掃描過(guò)程中的組合點(diǎn)列圖
 

 

file used: LSC.0002_LaserScanning_F-ThetaObjective_04_ScanningProcedurePos.run

? 從參數(shù)運(yùn)行（Parameter Run）中，可以生成所有單點(diǎn)圖的組合點(diǎn)圖。

? 點(diǎn)位置位于等距網(wǎng)格的原因是使用參數(shù)耦合（Parameter Coupling）工具補(bǔ)償反射鏡傾斜到期望輸入掃描角的非線性行為。

指定掃描過(guò)程的完整光線追跡數(shù)據(jù)可以在一個(gè)單獨(dú)文檔中獲得。畸變?cè)u(píng)估

? 可以進(jìn)行一維畸變?cè)u(píng)估（輸入掃描角度Theta或者探測(cè)器橫向位置）。

? 下圖顯示了使用F-Theta而不是一個(gè)非球面透鏡以顯著改善F-Theta畸變（LSC.0001）。

? LSC.0001中可以找到計(jì)算畸變的一個(gè)詳細(xì)解釋。

 

file used: LSC.0002_LaserScanning_F-ThetaObjective_05_FieldCurvatureDistortion.run results stored in: LSC.0002_LaserScanning_F-ThetaObjective_05_FiedlCurvatureDistortion.da

 

場(chǎng)區(qū)評(píng)估
 

? 以或者以輸入掃描角度Theta或者以探測(cè)器橫向位置來(lái)進(jìn)行一維場(chǎng)曲評(píng)估。

? 下圖顯示了使用F-Theta物鏡而不是一個(gè)非球面透鏡場(chǎng)曲的顯著改善（LSC.0001）。

? 可以在LSC.0001找到場(chǎng)曲計(jì)算的詳細(xì)說(shuō)明。

 

file used: LSC.0002_LaserScanning_F-ThetaObjective_05_FieldCurvatureDistortion.run

? A detailed explanation of the calculation of the field curvature can be found in LSC.0001.

results stored in: LSC.0002_LaserScanning_F-ThetaObjective_07_FiedlCurvatureDistortion.da

 

詳述應(yīng)用案例

場(chǎng)追跡的模擬和結(jié)果

 

分析光束剖面

? 幾何場(chǎng)追跡引擎可以在一個(gè)特定的探測(cè)器位置上更為精確地評(píng)估光束剖面，位置和直徑。

? 因此，使用聚焦區(qū)域探測(cè)器，通過(guò)幾何場(chǎng)追跡在幾何區(qū)域內(nèi)傳播場(chǎng)并且在衍射區(qū)域內(nèi)求解光束傳播的衍射積分。

? 將光束參數(shù)探測(cè)器（Beam Parameter Detector）應(yīng)用到傾斜探測(cè)器的場(chǎng)以獲得束腰距離dw。因此，場(chǎng)曲率值ZFC可以用物理光學(xué)方法進(jìn)行計(jì)算。
 

file used: LSC.0001_LaserScanning_Asphere_07_BeamProfileOffAxis.lpd

 

在軸上P（0,0）mm分析光束剖面

? 在軸上，對(duì)于強(qiáng)度分布來(lái)說(shuō)，光束像差扮演一個(gè)次要角色。

? 球形相位可以由場(chǎng)追跡計(jì)算，相對(duì)于光線追跡的結(jié)果顯示了附加的離焦。這個(gè)離焦現(xiàn)象是由光束的衍射效應(yīng)造成的。
 

file used: LSC.0002_LaserScanning_F-ThetaObjective_08_BeamProfileOnAxis.lpd

 

? 光束參數(shù)探測(cè)器確定光束直徑和質(zhì)心位置和束腰。

? 由更精確的場(chǎng)追跡獲得的光束直徑，明顯高于工光線追跡獲得的結(jié)果。

? 附加的物理光學(xué)離焦由場(chǎng)追跡直接影響場(chǎng)曲值進(jìn)行計(jì)算，如下表所示。
 

 

外軸P（0,25）mm上分析光束剖面

? 一般來(lái)說(shuō)，離軸場(chǎng)軸上場(chǎng)由不同的中心方向與。

? 因此可以通過(guò)傾斜探測(cè)器以避免線性相位疊加，正如LSC.0001中提到。

? 像散球相位表明在x和y方向不同光束尺寸組形成的一個(gè)離焦光斑。

 

 

? 由更準(zhǔn)確的場(chǎng)追跡獲得光直徑束明顯高于由光線追跡獲得的結(jié)果。此外，由于像散，在x和y方向上所獲得的光束直徑有所不同。

? 由場(chǎng)追跡計(jì)算的附加物理光學(xué)離焦直接影響了場(chǎng)曲的值，如下表所示。

? 光束位置(=光束質(zhì)心)相比于光線追跡的結(jié)果也略有不同。

 

其他的VirtualLab特征
 

在此案例中，你將從以下選擇的特征中獲益：

? 各種探測(cè)器

– 測(cè)量的焦點(diǎn)位置取決于鏡掃描角

– 在探測(cè)器平面測(cè)量的光束位置

– 使用聚焦區(qū)域探測(cè)器計(jì)算聚焦區(qū)域中的場(chǎng)

? 參數(shù)耦合

? 對(duì)于掃描光學(xué)的期望輸入掃描角度Theta，調(diào)整反射鏡方向參數(shù)運(yùn)行

– 估計(jì)掃描場(chǎng)尺寸

– 生成場(chǎng)曲和畸變圖樣

 

總結(jié)

VirtualLab可以：

? 使用雙軸掃描鏡和F-Theta物鏡模擬激光掃描系統(tǒng)

? 在目標(biāo)平面分析偏轉(zhuǎn)光束

– 由光線追跡計(jì)算掃描場(chǎng)尺寸，場(chǎng)曲和畸變

– 由幾何場(chǎng)追跡精確計(jì)算光束剖面

– 場(chǎng)追跡可以精確分析光束位置和焦點(diǎn)

 

進(jìn)一步閱讀

 

進(jìn)一步閱讀：參考文獻(xiàn)
 

[1] Von Scanlab7 - Eigenes Werk, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=16724483

[2] Frank Wyrowski ; Huiying Zhong ; Site Zhang ; Christian Hellmann; Approximate solution of Maxwell’s equations by geometrical optics. Proc. SPIE 9630, Optical Systems Design 2015: Computational Optics, 963009 (October 15, 2015)