概括案例

 

1.系統細節

?光源

-綠色激光二極管

?元件

-基于單掃描微鏡的激光掃描系統，例如MEMS（微機電系統）

?探測器

-光線可視化檢查（3D顯示）

-場分布和相位計算

-光束參數（M2值，發散角）

?建模/設計

-光線追跡：首先概覽系統性能

-場追跡：

√光束傳播包含表面像差

√分析生成光束的形狀和質量

 

2.系統圖片

 

3.模擬和設計結果

鏡像差（由澤尼克多項式表示）：

 

 

4.總結

 

基于單掃描微鏡的激光掃描系統（例如MEMS）中的鏡像差進行建模和仿真。

1)模擬

通過使用光線追跡方法驗證激光掃描設置

2)建模

使用澤尼克標準界面來模擬靜態或動態形式的復雜鏡面像差

3)分析

為了計算場分布和評價光束形狀和參數，應用經典場追跡引擎

 

復雜的系統，如基于單微鏡的激光掃描儀可以通過使用VirtualLab Fusion來模擬。此外，幾乎所有類型的表面變形都可以通過引入澤尼克像差到掃描鏡來模擬。因此，可以根據掃描的位置評估光束形狀和質量。

詳細案例

 

系統參數

 

1. 此案例的背景和目的

 

?作為一個掃描鏡必須包含兩個掃描軸以及考慮一個更復雜的傾斜操作（傾斜的方向并不是獨立的）。

?另外，將表面像差引入到掃描鏡，可以是靜態或動態類型。

?因為澤尼克多項式非常適合描述幾乎所有類型的像差，它們可用于演示表面偏差。

 

2. 模擬鏡像差：澤尼克界面

 

?為了模擬靜態或動態鏡像差，使用澤尼克界面。

?通過使用澤尼克多項式，可以適當地插入任意相位或表面偏差。

?多項式可以通過系數分類，例如使用Noll’s多階組合。

?具體系數包含多項式的階數和徑向分解級次。

?例如，系數3 1 0意味著多項式3和級數n=1，級數m=0。

?這個定義也在VirtualLab fusion的澤尼克界面實現。

 

3. 模擬任務：LCS中的鏡像差

為了研究鏡像差，討論一個基于固定轉向鏡和一個掃描微鏡器件的激光掃描系統（例如MEMS）。

鏡像差將假定為澤尼克多項式。

 

 

?例如，將演示彗差（7 3 1）和三葉形（9 3 3）形狀的像差。

 

4. 規格：準直激光光束

高斯光束由激光元件的單模激光二極管發射出。

 

5. 規格：2D MEMS掃描微鏡芯片

 

 

6. 激光掃描系統的光路圖

 

?由于VirtualLab Fusion的相對定位系統，只需要確定在z方向的距離。

?理想像差都包含在掃描鏡元件內。

 

7. 掃描操作中的鏡面傾斜

?因為掃描微鏡的傾斜與兩軸有關，傾斜操作并不是獨立的。

?為了計算理想掃描位置的傾斜角，必須考慮反射三維定律：

（k為歸一化波矢量，n為鏡表面法向量和歸一化因子）

?這個向量關系可以使用VirtualLab Fusion的參數耦合功能解決。

?因此，需要的傾斜角是由理想掃描位置自動計算得到。

 

詳細案例

 

仿真和結果

 

1.結果：使用光線追跡分析

 

?首先，應用光線追跡（Ray Tracing）研究光在光學系統的傳輸。

?使用內置的光線追跡系統分析器（Ray Tracing System Analyzer）來進行分析。

 

所用文件: LSC.0003_LaserScanning_ Aberrations_01_RT.lpd

 

2. 模擬鏡像差：彗差

 

 

所用文件：LSC.0003_LaserScanning_ Aberrations_02_Coma.lpd

 

3. 結果：彗差整形鏡像差

?研究中心掃描位置（電場幅度）的光斑形狀和質量   

?無像差（M21.00×1.00）的初始位置形狀

?在波長（PV）中，各類像差的大小

 

由于不對稱像差，點像主要是在一個方向失真。

 

?計算不同掃描位置的光斑形狀和5λ峰谷的彗差類型。

 

所用文件：LSC.0003_LaserScanning_ Aberrations_02_Coma.lpd

 

4. 模擬鏡面像差：三葉形

 

?第二個例子：多項式展示出系數9 3 3描述了三葉形狀的像差。

?再次，選擇這樣的參數，對應于一個波長（峰谷）的變化。

?使用z尺寸參數再次變化像差的大小。

 

所用文件: LSC.0003_LaserScanning_ Aberrations_04_Trefoil.lpd

 

5. 結果：三葉型整形鏡面像差

?模擬中心掃描位置（電場振幅）的光斑形狀和質量。

?無像差（M21.00×1.00）的初始點形狀：

 

由于像差的對稱性，點失真是對稱的，在兩個方向M2值都增加。

 

所用文件：LSC.0003_LaserScanning_ Aberrations_05_Trefoil.run

 

?計算不同掃描位置的點形狀和5λ峰谷的一個三葉型像差。

 

 

所用文件：LSC.0003_LaserScanning_ Aberrations_04_Trefoil.lpd

 

6.結果：像差掃描

 

?在靜態像差的情況下，對所有偏轉角來說鏡面偏差是常數。

?通過在理想掃描區域應用一個參數運行來生成掃描圖案。

?如例所示，顯示一致的圖案掃描（5mm空間）。

 

所用文件：LSC.0003_LaserScanning_ Aberrations_07 & 08_Static.lpd

 

7. 模擬混合鏡像差

?為了描述更加復雜的鏡像差，可以組合表面的不同形狀。

?如果是澤尼克類型的像差，可以通過設置相應的系數在界面中結合不同類型。

?如果使用不同類型的界面更合適，那么組合的界面使兩個或更多類型的界面合并（如澤尼克類型）。

?如果發生靜態和動態像差，也可以使用合并的界面。

 

8.結果：合并后的鏡像差

?利用合并后的界面來模擬兩個不同鏡面像差的組合。

?在靜態和動態影響像差的情況下，一個界面設置為代表的靜態部分，另一個代表動態效果。

 

 

所用文件：LSC.0003_LaserScanning_ Aberrations_06_Combined.lpd

 

9. 結果：靜態和動態鏡像差

?現在使用合并后的界面來模擬靜態和動態鏡面像差。

?在這個例子中，根據掃描鏡的偏轉（通過使用參數耦合），第二個界面（澤尼克9 3 3）像差的大小是不同的。

 

所用文件：LSC.0003_LaserScanning_ Aberrations_09_Dynamic.run

 

10.總結

在基于單掃描微鏡的激光掃描系統中（例如MEMS），模擬和研究鏡面像差。

?仿真

通過使用光線追跡，驗證激光掃描系統

?模擬

使用澤尼克標準界面來模擬復雜的靜態或動態類型的鏡面像差

?分析

應用經典場追跡引擎來計算場分布和評價光束形狀和參數

復雜的設置，如基于單微鏡的激光掃描儀可以通過使用VirtualLab Fusion來模擬。此外，幾乎表面失真的所有類型都可以通過將澤尼克像差引入到掃描鏡來模擬。因此，可以通過掃描的位置研究光束形狀和質量。

 

11. VirtualLab Fusion的其他特性

在本例中，您受益于以下選擇的特點：

?參數運行

-生成包含所有光學效果的掃描模式

-不同參數的簡單變化，例如模擬靜態和動態像差

?參數耦合

-在屏幕上的理想位置，自動調整掃描鏡的旋轉方向。