光束掃描技術的案例
ACS Photonic封面文章：首個基于電光效應的焦平面陣列光束掃描芯片
焦平面陣列（Focal Plane Array，FPA）是一種不同于光學相控陣（Optical Phased Array，OPA）的全固態光束掃描技術。為解決現有FPA在可靠性、速度、功耗等方面的瓶頸問題，西北工業大學機電學院空天微納系統教育部重點實驗室使用薄膜鈮酸鋰開發出全球首款基于電光效應的焦平面陣列光束掃描芯片，實現速度和功耗性能的顯著提升。
相關工作以“Focal Plane Array Based on Thin-Film Lithium Niobate for Fast-Speed and Low-Power-Consumption Beam Steering”為題發表于《ACS Photonics》，并被選為封面論文。訊技光電科技（上海）有限公司的VirtualLab Fusion軟件為該項研究成果提供了設計及性能仿真。
研究背景
焦平面陣列（Focal Plane Array，FPA）作為一種重要的全固態光束掃描技術，通過光開關陣列控制光信號從不同位置處的光柵輻射器發射信號，經過置于其上的透鏡后產生一個和輻射器位置相關的偏轉角，從而在無可動部件的情況下實現光束掃描。現有FPA要么使用MEMS結構實現光開關陣列，要么通過熱光效應構建光開關陣列。基于MEMS結構的FPA受其內部可動機械部件的限制而存在速度有限、可靠性差等問題，基于熱光效應的FPA則具有熱光器件固有的速度慢、功耗高等問題。因此，現有熱光式焦平面陣列芯片存在可靠性低、速度慢、功耗高等問題。
為解決上述問題，西北工業大學機電學院空天微納系統教育部重點實驗室基于薄膜鈮酸鋰的電光效應研制出全球首款基于電光效應的焦平面陣列光束掃描芯片。
展開 ACS Photonic封面文章：首個基于電光效應的焦平面陣列光束掃描芯片
論文作者：劉金澤，王斌斌，宮言，王建國，黎永前
焦平面陣列（Focal Plane Array，FPA）是一種不同于光學相控陣（Optical Phased Array，OPA）的全固態光束掃描技術。為解決現有FPA在可靠性、速度、功耗等方面的瓶頸問題，西北工業大學機電學院空天微納系統教育部重點實驗室使用薄膜鈮酸鋰開發出全球首款基于電光效應的焦平面陣列光束掃描芯片，實現速度和功耗性能的顯著提升。
相關工作以“Focal Plane Array Based on Thin-Film Lithium Niobate for Fast-Speed and Low-Power-Consumption Beam Steering”為題發表于《ACS Photonics》，并被選為封面論文。訊技光電科技（上海）有限公司的VirtualLab Fusion軟件為該項研究成果提供了設計及性能仿真。
研究背景
焦平面陣列（Focal Plane Array，FPA）作為一種重要的全固態光束掃描技術，通過光開關陣列控制光信號從不同位置處的光柵輻射器發射信號，經過置于其上的透鏡后產生一個和輻射器位置相關的偏轉角，從而在無可動部件的情況下實現光束掃描。現有FPA要么使用MEMS結構實現光開關陣列，要么通過熱光效應構建光開關陣列。基于MEMS結構的FPA受其內部可動機械部件的限制而存在速度有限、可靠性差等問題，基于熱光效應的FPA則具有熱光器件固有的速度慢、功耗高等問題。因此，現有熱光式焦平面陣列芯片存在可靠性低、速度慢、功耗高等問題。
為解決上述問題，西北工業大學機電學院空天微納系統教育部重點實驗室基于薄膜鈮酸鋰的電光效應研制出全球首款基于電光效應的焦平面陣列光束掃描芯片。
展開 VirtualLab Fusion：在一個微鏡激光掃描系統中鏡像差對光束質量的影響
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。
展開 Zemax案例 | 光束整形技術及其應用
引言
在現代光學技術領域，激光器輸出的高斯光束因強度分布不均導致能量利用率受限，光束整形技術作為提升光束均勻性、適配多場景應用的核心手段，已廣泛滲透激光加工、光纖通信、醫療設備、激光雷達等關鍵行業[1]。從非球面透鏡組的校正到液晶空間光調制器（LC-SLM）的動態調控，光束整形技術的迭代升級始終離不開專業光學設計軟件的支撐。Zemax作為應用廣泛的光學系統設計與仿真平臺，憑借其強大的建模能力、準確的仿真算法和全流程優化工具，成為光束整形系統研發的核心驅動力。本文結合現有學術研究成果，解析Zemax在靜態與動態光束整形技術中的應用價值。
光束整形技術
激光器輸出的高斯光束呈中心強、邊緣弱的鐘形分布，能量利用率低的短板嚴重制約其在高端應用中的表現。光束整形技術通過光學元件調控光束的振幅、相位與偏振態，將高斯光束轉換為平頂光束、環形光束等特定分布形式，從而提升能量均勻性與利用效率。根據光學元件的調控特性，該技術可分為靜態光學元件整形與動態光學元件整形兩大類，前者包括非球面透鏡組、雙折射透鏡組、衍射光學元件（DOE）、微透鏡陣列等，后者以液晶空間光調制器（LC-SLM）為核心代表。
近年來，光束整形技術的應用需求持續升級：激光加工領域需高精度平頂光束提升切割、焊接的一致性；光纖通信中需優化光束耦合效率以減少信號損耗；醫療場景要求光束能量密度適配手術需求，避免損傷健康組織；激光雷達則依賴動態光束調控提升目標探測精度。這些需求對光學系統的設計精度、仿真可靠性和迭代效率提出了嚴苛要求，而專業光學設計軟件通過一體化的設計與仿真解決方案，為這些技術挑戰提供了高效突破路徑。
靜態光學元件整形系統：
技術原理與設計要點
靜態光學元件整形系統憑借結構穩定、成本可控的優勢，在中低功率激光應用中占據主要地位。
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VirtualLab運用：在一個微鏡激光掃描系統中鏡像差對光束質量的影響
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。
展開 雙光束激光焊接技術在民用飛機上的應用現狀及發展
20世紀90年代起，經過近10年的研究，空客公司成功地將雙光束激光焊接技術應用于鋁合金機身壁板結構，替代了傳統的鉚接結構（圖1），使飛機機身的結構概念從組裝結構過渡到整體結構。該技術針對機身壁板的蒙皮- 長桁結構，利用兩臺完全相同的CO2 激光器在長桁兩側進行雙側同步焊接，該技術避免了傳統的單面焊雙面成形工藝對蒙皮完整性的破壞，具有極大的優越性。有資料表明：采用該技術在不降低結構強度及疲勞壽命的前提下，能減少5%~10% 的結構重量，并降低成本15%，提高了生產效率[1-3]。
雙光束激光焊接技術簡述
雙光束激光焊接技術最早是由德國的Bias（不萊梅射線研究所）、Gkss（亥姆霍茲聯合會）、Fraunhofer（福朗霍夫材料與射線研究所）、LZH（漢諾威激光研究所）、亞琛工大等眾多科研院所一起參與完成的。同時，相關焊接設備由Schuler-held、M.torres、Rofin 等公司提供。激光焊接技術也成為了德國航空業的重點發展技術之一。除了已經研制成功的激光焊接蒙皮- 長桁結構以外，其他的激光焊接應用也正處于研發階段。這些應用包括利用機器人焊接角片、焊接Al-Mg-Sc 材料的著陸襟翼結構以及激光焊接鋁- 鈦異種材料航空座椅滑軌[3-4]。
雙光束激光焊接技術最早用于空客A318的前機身以及中后機身兩塊壁板的生產制造，并在裝機之前通過了FAA（美國聯邦航空管理局）的適航認證。圖2 為德國空客車間的雙光束激光焊接生產線，隨著3條焊接生產線的購置安裝，焊接機身壁板于2001年在德國諾登哈姆的空客車間內實現了批量生產。另外，隨著此項技術的不斷成熟，包括A340、A380 在內的機型也都采用了激光焊接壁板，且壁板的數量也從開始的2塊（總計110m 焊縫），到最多使用14塊激光焊接壁板（總計約798m焊縫）。
展開 ZEMAX軟件技術應用專題：在 OpticStudio 中模擬高階雷射光束
該方程最廣為人知的解法是理想的單模高斯光束的解法。存在依賴於給定係統對稱性的其他正交解集。1 它們可用於對高階光束模式進行建模。
在這篇Blog中，我們描述了 OpticStudio 中可用於表徵高階雷射光束的模型。定義後，此類光束可以在 OpticStudio 中使用物理光學傳播設計的任何光學系統中傳播。從具有矩形、圓形和橢圓形增益孔徑的雷射共振腔產生的光束可以使用 Hermite-Gaussian、Laguerre-Gaussian Ince-Gaussian 光束的可用模型進行表徵。
Hermite-Gaussian 模態
對於具有矩形對稱性的雷射腔設計，即具有矩形增益孔徑的設計，近軸波動方程的適當解由 Hermite-Gaussian 模態提供。這些模式的電場分佈可以寫成 Hermite 多項式。此類模式可以在 OpticStudio 中使用 POP 設置對話框中的內置“高斯腰”光束定義進行建模：
此模式的主要輸入是 X 和 Y 中束腰以及 X 和 Y 中光束的階數。以上設置演示瞭如何對 X 和 Y 中具有相同腰尺寸的 (0,0) 模式進行建模，對應於單模高斯光束。然而，輸入光束也可以是在 X 和 Y 上不對稱的高階 Hermite-Gaussian，例如:
Hermite-Gaussian 模態通常被指定為 TEMm,n 模式，其中 m 是 X 中光束的階數，n 是 Y 中光束的階數。同樣，高斯光束是 TEM00 模式光束。
“Gaussian Waist”光束定義的輸入參數的進一步描述可以在標題為“關於物理光學傳播”的Help系統部分中找到。
Laguerre-Gaussian 模態
對於圓柱對稱的雷射腔設計，即具有圓形增益孔徑，Laguerre-Gaussian模態提供了對近軸波動方程的適當解。
展開 無人機洞穴掃描技術（轉載）
而這次科學家測試無人機洞穴掃描技術的地球洞穴屬于熔巖管地形，和月球/火星上的洞穴相似。熔巖管是當巖漿表面冷卻硬化，內部卻繼續流動時形成的。顧名思義，它是一種管狀的地下洞穴結構。
照片左下角是由天械科技公司研發的無人機，它搭載了LiDAR激光雷達技術。照片中它正停在冰面上，等待開始它的洞穴掃描任務。
Credit: NASA/Astrobotic/SETI Institute/Dubai Future Foundation/Lee et al. 2019
“小型的全方向航天器是探索地球、月球、火星熔巖管的理想工具。它不需要和熔巖管崎嶇不平的巖壁做直接接觸，所以行動上自然不受到巖壁形狀的限制。靈活的無人機可以在很短的時間內進入、掃描、離開洞穴，把數據發回地球并同時充電或補充燃料。它們還可以被用來采集樣本。”安德魯霍希勒(Andrew Horchler)博士說道。他是天械科技公司的未來任務與技術總監，天械科技公司負責開發此次任務用到的無人機LiDAR洞穴掃描技術。
地球上的無人機都是用螺旋槳提供動力移動和飛行。但由于月球上沒有大氣，而火星高海拔洞穴空氣稀薄，未來探索時的無人機需要使用噴射式推進器提供動力，這會是科學家將來需要考慮的問題。而這次任務主要著重于驗證無人機在無光、無GPS、無事先輸入地圖的情況下自主掃描含冰巖洞的可行性。
這次任務使用的軟件系統——AstroNav，是天械科技公司和NASA簽訂的研究合同的一部分。它使得無人機可以全自動地探索地下環境。AstroNav兼容立體視覺技術和LiDAR激光雷達技術，讓無人機可以實時地在無GPS的陌生環境下快速移動。
這種整合多個/多種傳感器的技術在探索復雜地形時是非常必要的。LiDAR激光雷達技術適合在地底黑暗環境中使用，而基于光學相機的立體視覺則更適用于光線充足的開放式區域。
展開 3D掃描透明物體！Fraunhofer IOF紅外波長新技術
導讀：隨著3D打印的普及，建模技術也有了飛速的發展。掃描建模是一種新型、快捷的創建3D模型的方式。但是，許多掃描儀器只能掃描沒有光反射的物體，遇到透明物體只能先噴涂一層不反光涂料，然后進行掃描。那么，真的就沒有透明材料掃描儀了么？
南極熊獲悉，德國Fraunhofer Institute應用光學與精密工程學院IOF的研究人員于2021年5月4日宣布開發了一種新的3D掃描方法，可用于反射物體。借助“ MWIR-3D傳感器”，可以三維掃描物體，而不管是否由透明塑料還是玻璃制成。甚至可以輕松檢測到具有金屬光澤或黑色表面的物體。新的3D紅外傳感器還可以檢測組合了不同材料的物體。
△用MWIR-3D 3D掃描透明物體
傳統的3D掃描
3D掃描是進行逆向工程的重要工具，是產品數字化的關鍵一步，實現更靈活的制造。如今，有幾種3D掃描方法，但是每種方法都有不同的缺陷。除了僅用于點測的基于“觸摸”的3D掃描之外，大多數3D掃描系統都使用光學技術。
攝影測量：將一系列2D圖像轉換為3D模型
激光掃描：向目標表面發射光束，雙攝像頭確定每個點的3D位置
結構化的光：在表面上呈現出特定的圖案，利用圖案變形揭示3D幾何形狀
這些方法都有一個難題：反射率和透明度。它們各自依賴于從目標反射回來的光并且以可預測的方式返回到觀察相機。當掃描玻璃時，因為光線在通過時會發生彎曲，掃描儀無法確定點源，因此無法正確掃描。透明物體甚至輕微反射的物體也會產生類似的效果。由于光路效應，3D掃描類似金屬零件這樣略微發亮的物體變得具有挑戰性。對于這類問題，解決方法通常是在物體表面噴涂清漆，然后進行掃描。
展開 VirtualLab應用：用于光學相干斷層掃描技術的邁克爾遜干涉儀
光學測量 > 干涉測量
任務/系統說明
亮點
?從光線追跡分析到快速物理光學建模的簡單轉換；
?對相干效應以及干涉圖樣的高速仿真；
具體要求：光源
具體要求：用于準直的消色差透鏡
具體要求：分束器
具體要求：參考光路反射鏡
具體要求：測試光路反射鏡
具體要求：探測器
結果：3D光線追跡
結果：場追跡
結果：移動樣品的場追跡結果
通過掃描樣品的軸向位置，可以研究出樣品的形貌。
文件&技術信息
掃描駕駛員大腦實現安全駕駛 本田發布新技術
近日，本田公布了全新的“先進未來安全技術”，旨在通過“智能化駕駛輔助技術”和“安全·安心網聯技術”實現2050年汽車全球事故零死亡的終極目標。
其中“智能化駕駛輔助技術”運用到了人工AI智能，它通過ADAS傳感器/攝像頭，實時監控道路情況和駕駛員狀態。
為了判斷駕駛員異常舉動的根本原因，本田動用了fMRI技術來分析司機的大腦行為，并實時推導出最合適的駕駛動作，從而根據每個司機的認知狀態和交通場景提供適當的駕駛輔助，該技術為世界首創。
新一代輔助駕駛系統可從三個方面實汽車駕駛中的人為零失誤，目前已經實現的為“通過AI減輕晃動和避免操作延遲”，而正在研發中的包括以安全帶收緊和3D影音向駕駛員傳遞風險提示、利用座椅震動和生物反饋刺激駕駛員保持清醒等功能。
為了更好的了解道路狀況，本田還參與研發了V2X技術，通過通信網絡將車輛與其他道路參與者連接起來，通過路上的攝像頭、其他車輛車載攝像頭、智能手機信息，集合數據向駕駛員提供有關交通環境的信息。
根據規劃，在接下來的十年里，本田將利用五年的時間進行研發，再利用五年時間進行商業化推廣落地，預計新技術將在2030年以后實現，并推廣到全球，2050年達成全球汽車事故零死亡。
*轉自快科技
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藍光掃描技術在沖壓件質量提升中的應用
圖 2 與圖 3 沖壓件匹配后間隙與圖 2 沖壓件掃描數據趨勢吻合，可以確定需要整改的沖壓件為圖 2 沖壓件，后續可以根據圖 2 沖壓件掃描數據進行分析、整改，提升沖壓件質量，消除焊點扭曲、焊點深的風險。
5 結束語
隨著工業的發展，有越來越多的測量數據需要處理和評估，而傳統的測量方式無法滿足現代化工業的需要。藍光三維計量技術不但可以滿足當前工業的需求，同時還能確保縮短開發時間、優化生產流程并提高工藝安全。未來，在藍光掃描技術的逐步成熟下，取代傳統測量方式，在汽車行業中的應用將越來越廣。
來源：汽車實用技術雜志社
作者： 姜連財，楊正新等
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