激光掃描系統（LSC.0002 v1.0）

應用案例概述

 

系統細節

 

?光源

–綠光二極管

?元件

–雙軸振鏡掃描儀

–F-Theta物鏡

?探測器

–場曲和畸變探測器

–光束強度剖面探測器

–焦點區域探測器

–光束參數探測器

?模擬/設計

–光線追跡：分析掃描場尺寸，場曲以及畸變 

–場追跡：考慮衍射效應，進行更精確的光束尺寸和剖面的研究

 

系統說明

 

 

激光掃描系統的性能評估

 

?一個激光掃描系統的掃描光學部分包含了一個掃描儀單元和一個F-Theta物鏡，在一維掃描過程中（沿入射角Theta），通過分析光束的場曲和畸變來評估其性能。

?此外，計算了不同掃描位置處的光束尺寸和輪廓。

 

模擬和設計結果

 

 

其他的VirtualLab特征

 

在此案例中，你將從以下選擇的特征中獲益：

?各種探測器

-測量與反射鏡掃描角度相關的焦點位置

-測量探測器平面上的光束位置

-使用焦點區域探測器計算焦點區域中的場

?參數耦合

-針對掃描光學部分的期望輸入掃描角度Theta來調整反射鏡方位

?參數運行

-估計掃描場尺寸

-生成場曲和畸變圖

 

總結

 

VirtualLab可以

?模擬一個由雙軸掃描反射鏡和一個F-Theta物鏡構成的激光掃描系統

?分析目標平面上的光束偏轉

-通過光線追跡來計算掃描場尺寸，場曲和畸變

-通過幾何場追跡來計算光束剖面

-場追跡可以更準確地分析光束位置和焦點

應用案例詳述

 

系統參數

 

應用案例內容

?LSC.0001和LSC.0002為激光掃描系統。

?在這個案例中，通過模擬掃描過程來分析F-Theta物鏡的場區和畸變。

?相對于LSC.0001，顯示了性能提高。

?強烈建議首先閱讀LSC.0001。

 

file used: LSC.0002_LaserScanning_F-ThetaObjective_01_RayTracing.lpd

 

模擬任務

連續激光模

 

規格：輸入激光光束

 

激光組件中的單模二極管激光器

 

規格：電流反射鏡定位系統

典型雙軸振鏡掃描儀

 

規格：F-Theta物鏡概述

 

 

規格：F-Theta對象透鏡參數

 

 

 

 

 

來自目錄Schott_2014

 

詳述應用案例

 

光線追跡模擬和結果

 

定位雙軸振鏡掃描儀

 

?雙軸反射鏡由兩個分離的鏡子組成。

?第一鏡將目標光束偏轉到x方向，而光束沿第二個鏡子的旋轉軸偏轉。

?第二反射鏡將目標光束偏轉到y方向。

?在VirtualLab中關于反射鏡的設置可以在LSC.0001中找到。

file used: LSC.0002_LaserScanning_F-ThetaObjective_01_RayTracing.lpd

 

評價掃描場尺寸

 

?為了在探測器平面（視野場）評價掃描場的大小，可以執行一個掃描過程。

?使用參數運行的掃描模式，通過逐步的改變反射鏡X和反射鏡Y傾斜角度直至最大機械角度±12.5°，以模擬掃描過程。。

 

 

掃描過程的結合點圖

 

?上圖顯示了偏轉光束中主光線的位置，光束由于不同位置的反射鏡而發生了偏轉。由參數運行（Parameter Run）的聯合輸出特性（Combined Output Feature）生成。

?參數運行的組合光斑圖可以在探測器平面上評估掃描場尺寸（例如50mm x50mm）。

?此外，掃描位置位于非等距網格，由鏡子傾斜和實際入射掃描角Theta之間的非線性關系生成（想要更多細節，參見下一張幻燈片）。

file: LSC.0002_LaserScanning_F-ThetaObjective_02_ScanningProcedureAngles.run

 

反射鏡傾斜和入射掃描角Theta之間的非線性關系

 

?為了更好地說明反射鏡X和Y傾斜角和入射掃描角Theta之間的非線性關系，執行相似的參數運行（此過程中沒有使用掃描光學原價n）（參見下圖）。

?這種非線性特性是由三維反射定律和兩個掃描維度分離的反射鏡引起的。

?因此，探測器的位置位于一個非等距網格上。

?為了生成一個等距網格，必須使用3D反射定律來解析地補償非線性。

 

file used: LSC.0002_LaserScanning_F-ThetaObjective_03_NonLinearBehavior.run

 

補償反射鏡傾斜和目標平面上光斑位置之間的非線性關系

 

?上一個幻燈片，我們已經看到了反射鏡傾斜和目標平面上光斑位置之間的一個非線性關系。在下面我們將使用VirtualLab的參數耦合（Parameter Coupling）工具來補償非線性關系。

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可以由探測器平面上的光束理想橫向位置(x,y)計算得到。

 

通過參數耦合進行系統調整

 

?如前面的掃描過程所示，反射鏡傾斜和探測器平面上點位置之間的非線性關系可以由參數耦合中補償。

?因此，對于某點的位置，掃描鏡的方向可使用三維反射定律來計算。

?使用參數耦合工具，系統可根據三維反射定律來進行調整。

 

 

1.用戶在成像面輸入光束的理想橫向位置

2.系統參數

3.輸入變量

4.源代碼編輯器（腳本定義，實現實際的補償。）

 

參數耦合腳本的輸入變量也可以通過LPD的參數預覽來進行訪問。

 

 

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

 

 

再次進行掃描過程

 

?使用參數運行的掃描模式，從-10mm到10mm，在探測器平面逐步地（每個維度5步）上改變理想光束x位置和y位置，以完成掃描過程。

?從參數運行文檔，可以繪制場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

 

掃描過程中的組合點列圖

 

 

file used: LSC.0002_LaserScanning_F-ThetaObjective_04_ScanningProcedurePos.run

?從參數運行（Parameter Run）中，可以生成所有單點圖的組合點圖。

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

指定掃描過程的完整光線追跡數據可以在一個單獨文檔中獲得。畸變評估

?可以進行一維畸變評估（輸入掃描角度Theta或者探測器橫向位置）。

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

?LSC.0001中可以找到計算畸變的一個詳細解釋。

 

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

 

場區評估

 

?以或者以輸入掃描角度Theta或者以探測器橫向位置來進行一維場曲評估。

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

?可以在LSC.0001找到場曲計算的詳細說明。

 

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

 

詳述應用案例

場追跡的模擬和結果

 

分析光束剖面

?幾何場追跡引擎可以在一個特定的探測器位置上更為精確地評估光束剖面，位置和直徑。

?因此，使用聚焦區域探測器，通過幾何場追跡在幾何區域內傳播場并且在衍射區域內求解光束傳播的衍射積分。

?將光束參數探測器（Beam Parameter Detector）應用到傾斜探測器的場以獲得束腰距離dw。因此，場曲率值ZFC可以用物理光學方法進行計算。

 

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，對于強度分布來說，光束像差扮演一個次要角色。

?球形相位可以由場追跡計算，相對于光線追跡的結果顯示了附加的離焦。這個離焦現象是由光束的衍射效應造成的。

 

file used: LSC.0002_LaserScanning_F-ThetaObjective_08_BeamProfileOnAxis.lpd

 

?光束參數探測器確定光束直徑和質心位置和束腰。

?由更精確的場追跡獲得的光束直徑，明顯高于工光線追跡獲得的結果。

?附加的物理光學離焦由場追跡直接影響場曲值進行計算，如下表所示。

 

 

外軸P（0,25）mm上分析光束剖面

?一般來說，離軸場軸上場由不同的中心方向與。

?因此可以通過傾斜探測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離焦光斑。

 

 

?由更準確的場追跡獲得光直徑束明顯高于由光線追跡獲得的結果。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。

?由場追跡計算的附加物理光學離焦直接影響了場曲的值，如下表所示。

?光束位置(=光束質心)相比于光線追跡的結果也略有不同。

 

其他的VirtualLab特征

 

在此案例中，你將從以下選擇的特征中獲益：

?各種探測器

–測量的焦點位置取決于鏡掃描角

–在探測器平面測量的光束位置

–使用聚焦區域探測器計算聚焦區域中的場

?參數耦合

?對于掃描光學的期望輸入掃描角度Theta，調整反射鏡方向參數運行

–估計掃描場尺寸

–生成場曲和畸變圖樣

 

總結

VirtualLab可以：

?使用雙軸掃描鏡和F-Theta物鏡模擬激光掃描系統

?在目標平面分析偏轉光束

–由光線追跡計算掃描場尺寸，場曲和畸變

–由幾何場追跡精確計算光束剖面

–場追跡可以精確分析光束位置和焦點

 

進一步閱讀

 

進一步閱讀：參考文獻

 

[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)

 

進一步閱讀

 

以下文件給出一個詳細的描述，如何在VirtualLab中設置和優化激光系統：

?入門視頻：

–介紹光路圖

–介紹參數運行

?使用案例：

–元件的定位和取向

–光線追跡引擎的設置和結果演示

–使用參數運行文檔

–一維數值數據陣列多重圖像模式

–大孔徑透鏡系統-通過幾何場追跡+進行分析