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    [技術(shù)]設(shè)計(jì)相位型空間光調(diào)制器以生成高帽光束 [復(fù)制鏈接]

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    空間光調(diào)制器(SLM.0001 v1.1)

    應(yīng)用示例簡(jiǎn)述

    1. 系統(tǒng)說(shuō)明

    光源

    — 高斯光束

     組件

    — 反射型空間光調(diào)制器組件及后續(xù)的2f系統(tǒng)

     探測(cè)器

    — 視覺(jué)感知的仿真

    — 電磁場(chǎng)分布

    — 效率、SNR,一致性偏差,雜散光評(píng)估

     建模/設(shè)計(jì)

    — 基于迭代傅里葉變換算法(IFTA)設(shè)計(jì)位相傳遞函數(shù),將高斯光束整形為高帽光束

    — 場(chǎng)追跡:光在空間光調(diào)制器像素陣列的衍射。

    2. 系統(tǒng)圖示

    3. 建模與設(shè)計(jì)結(jié)果

    4. 總結(jié)

    VirtualLab內(nèi)置的工具,如:

     迭代傅里葉變換算法(IFTA)

     一個(gè)輔助會(huì)話編輯窗口

     經(jīng)典場(chǎng)追跡仿真引擎,提供多樣化選項(xiàng)以最合適的方法來(lái)處理衍射效應(yīng)。

    我們可以:

    1. 為反射空間光調(diào)制器(SLM)生成一個(gè)優(yōu)化后的位相調(diào)制分布設(shè)計(jì)

    2. 在最終系統(tǒng)的設(shè)置中對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析。

    應(yīng)用示例詳細(xì)內(nèi)容

    系統(tǒng)參數(shù)

    1. 內(nèi)容概覽

     首先在系統(tǒng)詳述中給出了仿真參數(shù)、常規(guī)系統(tǒng)以及評(píng)估結(jié)果。

     接下來(lái)通過(guò)一步一步的描述來(lái)幫助你了解如何設(shè)置此系統(tǒng)。

     最后的部分給你必要的信息,即到處必要的設(shè)計(jì)核分析數(shù)據(jù)以用于實(shí)際的SLM模塊。

    2. 應(yīng)用實(shí)例的內(nèi)容

    3. 設(shè)計(jì)&仿真任務(wù)

     對(duì)于2F系統(tǒng)和一個(gè)給定的SLM,我們?cè)O(shè)計(jì)了所需的位相用于生成一個(gè)矩形高帽光束(超級(jí)高斯)光分布。

     SLM偏折光線以在遠(yuǎn)場(chǎng)生成高帽形狀光束,傅里葉透鏡將光束聚焦,并決定了最終的工作距離。

    4. 參數(shù):輸入激光

    文件: SLM.0001_TopHat_SLM-Design_1_InputField.ca2

    5. 參數(shù):2f系統(tǒng)&期望輸出光束

    文件: SLM.0001_TopHat_SLM -Design_2_OutputField.ca2

    6. 參數(shù):設(shè)計(jì)條件

     一般DOE vs SLM設(shè)計(jì)

    對(duì)于結(jié)構(gòu)置于基底材料的衍射光學(xué)元件,像素尺寸在x和y方向可以自由選擇。對(duì)于SLM應(yīng)用, 這些尺寸都是基于SLM的像素尺寸而固定的。

     反射系統(tǒng)

    在反射SLM系統(tǒng)中,其SLM是傾斜的,入射光僅可以“看見(jiàn)”傾斜的SLM像素區(qū)域。因?yàn)樵O(shè)計(jì)和優(yōu)化算法都是假設(shè)光線垂直入射,因此,傳輸函數(shù)的像素尺寸必須適應(yīng)設(shè)計(jì)。

    7. 參數(shù):SLM像素陣列=傳輸

    在該設(shè)計(jì)中,忽略了SLM像素間隔。

    如在SLM.0001中,我們假設(shè)一個(gè)區(qū)域填充因子為100%。

    (*)實(shí)際上Hamamatsu X10468的區(qū)域填充因子為98%。其效應(yīng)將如SLM.0002標(biāo)題所述。

    8. 設(shè)計(jì)的壓縮長(zhǎng)度

     由于反射系統(tǒng)相對(duì)于Y軸有一個(gè)傾斜角度,垂直的入射光,以壓縮視圖的方式看SLM的X方向的長(zhǎng)度。

     對(duì)于本設(shè)計(jì)—采用正入射考慮的迭代傅里葉變換算法—通過(guò)將SLM的X方向長(zhǎng)度及其像素尺寸分別乘以因子 以顧及到傾斜角度的影響:

    9. 輔助設(shè)計(jì)&優(yōu)化

     VirtualLab提供了一個(gè)會(huì)話編輯器用于光束整形中協(xié)助用戶配置設(shè)計(jì)和優(yōu)化文件。

     其更多地用于經(jīng)典衍射光學(xué)元件(DOE)的設(shè)計(jì),因?yàn)槠湎袼爻叽缡亲兞浚唧w的大小將在設(shè)計(jì)過(guò)程中定義。

     對(duì)于一個(gè)SLM系統(tǒng),元件的像素尺寸是一個(gè)固定參數(shù),因此必須在會(huì)話編輯器中手動(dòng)指定。

    文件:SLM.0001_TopHat_SLM -Design_3_DesignDoc.ca2

    10. 設(shè)計(jì)結(jié)果:位相傳遞函數(shù)

    相鄰的位相分布結(jié)果以2π模顯示。

    文件:SLM.0001_TopHat_SLMDesign_4_DesignedTransmission.ca2  

    應(yīng)用示例詳細(xì)內(nèi)容

    仿真&結(jié)果

    1. 設(shè)計(jì)結(jié)果:評(píng)價(jià)函數(shù)&輸出

     設(shè)計(jì)結(jié)果的特征參數(shù)可在分析標(biāo)簽頁(yè)內(nèi)進(jìn)行計(jì)算。輸出場(chǎng)(振幅)以偽彩色(彩虹)表示。

     點(diǎn)擊顯示光路圖 打開(kāi)系統(tǒng)的光路圖文件(LPD)。

    2. 在傾斜系統(tǒng)仿真前的設(shè)置1-2

    設(shè)計(jì)好的位相數(shù)據(jù)已經(jīng)自動(dòng)地插入到打開(kāi)的LPD中。對(duì)于一個(gè)反射SLM系統(tǒng)必須做出一些調(diào)整:

    1. 設(shè)計(jì)的傳輸?shù)牟蓸泳嚯x必須根據(jù)實(shí)際SLM參數(shù)進(jìn)行設(shè)置,因?yàn)閮A斜元件一定會(huì)有其原始像素尺寸。

    2. 此外,VirtualLab允許考慮矩形像素形狀引起的光學(xué)效應(yīng)因素。

    3. 在傾斜系統(tǒng)仿真前的設(shè)置3-4

    4. 在傾斜系統(tǒng)仿真前的設(shè)置5

    5. 因?yàn)槔硐胂到y(tǒng)元件并不適用離軸非傍軸的仿真,所以必須進(jìn)行調(diào)整,通過(guò):

     或者使用為了考慮相應(yīng)的像差在稍后所用的透鏡 (詳見(jiàn)SLM.0003)。

     或者—如此處描述的—通過(guò)2f系統(tǒng)元件,應(yīng)用一個(gè)無(wú)像差的傅里葉透鏡。

    所用文件: SLM.0001_TopHat_SLM -Design_5_FinalReflectiveSetup.lpd

    6. 系統(tǒng)的3維顯示

     為了方便演示,在不同的元件中引入了一個(gè)額外的距離來(lái)說(shuō)明系統(tǒng)配置。這在仿真中并非必要。(2f系統(tǒng)已考慮了前后的傳播距離)

    7. 更高sinc級(jí)次評(píng)估

     能夠通過(guò)幾個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)模擬每個(gè)SLM的像素,從而考慮周期結(jié)構(gòu)引起衍射效應(yīng)。

     由于每一個(gè)像素的矩形結(jié)構(gòu),產(chǎn)生的衍射級(jí)次以一個(gè)sinc函數(shù)(所謂的高級(jí)sinc級(jí)次)進(jìn)行調(diào)制。

     這強(qiáng)度調(diào)制會(huì)影響一致性誤差值,在IFTA設(shè)計(jì)過(guò)程中可以補(bǔ)償這一效應(yīng)。

    8. 系統(tǒng)的仿真結(jié)果

    文件: SLM.0001_TopHat_SLM-Design_5_FinalReflectiveSetup.lpd

    9. 總結(jié)

    VirtualLab內(nèi)置的工具,如:

     迭代傅里葉變換算法(IFTA)

     一個(gè)輔助會(huì)話編輯窗口。

     經(jīng)典場(chǎng)追跡仿真引擎,提供多樣化選項(xiàng)以使用最合適的方法處理衍射效應(yīng)。

    我們已經(jīng):

    1. 為反射空間光調(diào)制器(SLM)生成一個(gè)優(yōu)化后的位相調(diào)制分布設(shè)計(jì)

    2. 在最終系統(tǒng)的設(shè)置中對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析。

    分步操作說(shuō)明

    通用方法用于設(shè)置一個(gè)SLM系統(tǒng)并完成設(shè)計(jì),優(yōu)化和分析

    1. 設(shè)計(jì)及分析過(guò)程

    2. D1:給定因子—根據(jù)SLM的幾何尺寸

     由于SLM像素的固定尺寸,結(jié)果輸出場(chǎng)的最大延展是確定的。利用公式可計(jì)算該延展。 通過(guò)VirtualLab的衍射光束形狀會(huì)話編輯器可以自動(dòng)進(jìn)行壓縮。

     SLM的整體尺寸也是固定的。因此可直接獲得的輸出場(chǎng)分辨率并可通過(guò)第二個(gè)公式進(jìn)行計(jì)算。

    3. D1:可實(shí)現(xiàn)輸出場(chǎng)參數(shù)

    考慮給定的SLM

     總輸出場(chǎng)尺寸:

     在目標(biāo)平面上沿x和y方向可獲得分辨率:

    4. D2:輸入場(chǎng)

     可使用VirtualLab的光源模型生成入射場(chǎng)。 我們從光源工作區(qū)中使用高斯光波模型生成指定入射的激光光束分布

    - 在光譜標(biāo)簽下指定波長(zhǎng)- 在空間參數(shù)標(biāo)簽下指定1/e2束腰半徑

    5. D2:輸出場(chǎng)

     可使用VirtualLab的光源模型生成輸出場(chǎng)。

     我們從光源工作區(qū)中使用超高斯模型定義期望的目標(biāo)光場(chǎng)分布

    - 在光譜標(biāo)簽下指定波長(zhǎng)

    - 在空間參數(shù)標(biāo)簽下指定:

     可分離(Rect.-Symm)

     1/e2束腰半徑

     邊緣寬度(應(yīng)大于無(wú)光束整形元件光學(xué)系統(tǒng)生成的單目標(biāo)光斑半徑)

    6. D3:入射角

    這些自適應(yīng)尺寸應(yīng)用于設(shè)計(jì)中!

    7. 用于IFTA設(shè)計(jì)操作的系統(tǒng)概覽

    8. D4:配置會(huì)話編輯器

    9. D4:通過(guò)參數(shù)概覽進(jìn)行檢查

    10. D5:幾何預(yù)設(shè)計(jì)

    1. 為迭代傅里葉變換算法(IFTA)獲得一個(gè)好的起始點(diǎn),執(zhí)行基于幾何光學(xué)光束整形的預(yù)設(shè)計(jì)。

    2. 選擇笛卡兒可分性以生成一個(gè)矩形目標(biāo)圖案。

    3. 開(kāi)始初始設(shè)計(jì)

    11. D5:IFTA-相位級(jí)次數(shù)

    12. D5:IFTA—補(bǔ)償Sinc調(diào)制

    13. D5:IFTA—設(shè)計(jì)設(shè)置

    14. IFTA預(yù)分析

     在完成設(shè)計(jì)過(guò)程,在分析標(biāo)簽對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行概覽。

     可以顯示輸出場(chǎng)。如偽(彩虹)彩色。

     由于IFTA在光束整形器設(shè)計(jì)中使用更大的場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算來(lái)制合適的位相值(因此會(huì)有更高的采樣),使IFTA的分析結(jié)果與后續(xù)整個(gè)系統(tǒng)的仿真結(jié)果略有出入。

    15. A1:獲得整個(gè)系統(tǒng)—LPD

     在最初,IFTA總是輸出一個(gè)軸向傳輸系統(tǒng)。

     因此,我們將稍微的修改此系統(tǒng)以用于后續(xù)實(shí)際幾何結(jié)構(gòu)的最終仿真。

     首先,我們進(jìn)行設(shè)計(jì)位相傳輸數(shù)據(jù)的最后準(zhǔn)備。

    16. A1:應(yīng)用SLM孔徑

     現(xiàn)在,我們需要提取對(duì)應(yīng)與實(shí)際SLM像素?cái)?shù)的透射區(qū)域。

     如果在衍射光束整形器會(huì)話編輯器窗口中點(diǎn)擊下一步,該提取將會(huì)自動(dòng)完成。

     然后點(diǎn)擊提取 可以獲得包含指定孔徑的設(shè)計(jì)的透射函數(shù)。

    17. A1:調(diào)整采樣距離

     重新調(diào)整X方向的采樣距離,這僅在IFTA設(shè)計(jì)中需要。(在整個(gè)系統(tǒng)中,SLM有其原有的采樣尺寸和預(yù)期的傾斜角度。)

     可通屬性瀏覽器的數(shù)據(jù)標(biāo)簽下完成采樣間距的重新調(diào)整。

     如果整個(gè)系統(tǒng)已經(jīng)依據(jù)軸上系統(tǒng)設(shè)計(jì)(透射式或者反射式光束分束),該操作則沒(méi)有必要。

    18. A1:交換透過(guò)率函數(shù)

    19. A2:轉(zhuǎn)換到基本工具箱LPD

     點(diǎn)擊衍射光學(xué)工具箱光路圖的光路編輯器中工具按鈕,然后點(diǎn)擊轉(zhuǎn)換為基本工具箱光路圖。

     通過(guò)此步驟,你可以獲得完全的光學(xué)元件選擇樹(shù)狀列表以在光路圖中插入元件。

    20. A2:調(diào)整實(shí)際系統(tǒng)的幾何結(jié)構(gòu)

    21. A3 :設(shè)置2f系統(tǒng)

    由于理想透鏡元件不適用于離軸非傍軸模擬,因此必須使用下列之一進(jìn)行更換:

     為了考慮相應(yīng)的像差在后面的所用的透鏡。

     如此處所演示—通過(guò)一個(gè)2f元件,即實(shí)現(xiàn)一個(gè)完美無(wú)像差的傅里葉透鏡。

    如,該2f系統(tǒng)元件可以完美地將斜光束聚焦到預(yù)期位置的平面顯示屏上,以補(bǔ)償非傍軸。編輯對(duì)話框中的參數(shù)設(shè)置已經(jīng)考慮了元件前后的傳播距離。

    文件: SLM.0001_TopHat_SLM-Design_5_FinalReflectiveSetup.lpd

    22. A3 :選擇旋轉(zhuǎn)算子

    23. A4 :模擬像素化透射函數(shù)

     在默認(rèn)設(shè)置下,VirtualLab通過(guò)單個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)(仿真像素)仿真每一個(gè)設(shè)計(jì)的透過(guò)像素。

     若考慮每一矩形轉(zhuǎn)換像素的效應(yīng),需要用更多的數(shù)據(jù)點(diǎn)來(lái)描述像素。

     根據(jù)引入的像素因子,我們以3×3數(shù)據(jù)點(diǎn)仿真每個(gè)轉(zhuǎn)換像素區(qū)域。

     此時(shí),我們沒(méi)考慮SLM像素間隔。這可以被視為一個(gè)特殊的組件,將在SLM.0002中會(huì)介紹。

     上述考慮將會(huì)增加計(jì)算時(shí)間以及輸出場(chǎng)尺寸。

    24. A5 :完整系統(tǒng)的仿真

      

    操作&重點(diǎn)關(guān)注反射

    不同幾何結(jié)構(gòu),屏幕&加工

    考慮反射

    關(guān)于期望設(shè)置的幾何結(jié)構(gòu),當(dāng)設(shè)計(jì)這樣一個(gè)光束整形元件時(shí),用戶需要考慮如下問(wèn)題:

     結(jié)構(gòu)應(yīng)放在元件的哪一邊。

     系統(tǒng)是透射式還是反射式。

     目標(biāo)圖案是在透射屏上觀察研究還是在不透明屏幕上。

    如何進(jìn)一步使用數(shù)據(jù)(制造商/SLM輸入)(需要什么樣的坐標(biāo)系統(tǒng))。 因此,用戶可能需要: 以鏡像圖案設(shè)計(jì)和/或 采用一個(gè)z方向縮放為-1(翻轉(zhuǎn))或一個(gè)x方向縮放為-1(反射)的結(jié)構(gòu)以避免鏡像效應(yīng)。VirtualLab為這種情況提供了所有必要的工具。 對(duì)于提出的用于SLM系統(tǒng)的點(diǎn)對(duì)稱圖案,無(wú)需特別注意的事項(xiàng)。

    SLM應(yīng)用的數(shù)據(jù)輸出1. Bitmap導(dǎo)出 設(shè)計(jì)之后,傳輸數(shù)據(jù)需要轉(zhuǎn)移到SLM。一般的方法是將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為bitmap(BMP)格式,并通過(guò)圖形/顯示驅(qū)動(dòng)來(lái)啟動(dòng)SLM。 可通過(guò)以下步驟完成這樣的BMP輸出:1. 如果在IFTA設(shè)計(jì)中引入量化等級(jí),則可根據(jù)SLM的識(shí)別等級(jí)數(shù)完成操作2. 與導(dǎo)入的SLM位相修正文件相乘(如果SLM制造商提供了這樣的文件)3. 移動(dòng)位相到實(shí)部4. 提取正值5. 歸一化最大值為16. 以可識(shí)別等級(jí)數(shù)目分別乘以實(shí)部。如255(0255)7. 輸出BMP(文件>輸出)-即實(shí)部以灰度0到可識(shí)別SLM等級(jí)數(shù)2. 導(dǎo)出:1.引入量化等級(jí)可在設(shè)計(jì)過(guò)程中或設(shè)計(jì)完成后進(jìn)行量化。1. 在IFTA設(shè)計(jì)&優(yōu)化過(guò)程中引入等距等級(jí)(如位相)會(huì)增加計(jì)算時(shí)間。但是對(duì)于少量的量化等級(jí),可以使用該操作,因?yàn)樘幚磉^(guò)程通過(guò)智能計(jì)算(軟件自帶)會(huì)流暢地完成。2. 如果SLM可識(shí)別大量的級(jí)次(也就是近乎連續(xù),如200),那么在后續(xù)可以應(yīng)用強(qiáng)行量化,因?yàn)橥ㄟ^(guò)界面幾乎無(wú)法改變透射,因此幾乎不改變優(yōu)化函數(shù)值。   通過(guò) 操作(Manipulation)>量化(Quantization)>強(qiáng)行量化(Hard Quantization)完成。3. 導(dǎo)出:2.SLM位相校正 一般SLM并不是完全平的,因此一些制造商提供了一個(gè)特定的位相校正函數(shù),應(yīng)與設(shè)計(jì)的透射函數(shù)相乘。 導(dǎo)入校正函數(shù),并將其與計(jì)算的透射函數(shù)相乘,使用鍵盤(pán)上的“*”按鈕,或者通過(guò) 操作(Manipulation)>陣列(Array)-陣列操作(Array Operations)>相乘(Multiplication)關(guān)于VirtualLab數(shù)據(jù)導(dǎo)入的更多細(xì)節(jié)查找案例337.01 。4. 導(dǎo)出:3.位相到實(shí)部移動(dòng)位相到實(shí)部可通過(guò):操作(Manipulation)>場(chǎng)量操作(Field Quantity Operation)>移動(dòng)(Move):位相到實(shí)部

    5. 導(dǎo)出:4.提取正值通過(guò) 操作(Manipulation)>振幅(Amplitude)/實(shí)部操作(Real Part Manipulations>提取正值(Lift Positive)

    6. 導(dǎo)出:5.歸一化通過(guò) 操作(Manipulation)>振幅(Amplitude)/實(shí)部操作(Real Part Manipulation)>歸一化(Normalize)
    7. 導(dǎo)出:6.調(diào)整最大值通過(guò) 操作(Manipulation)>常量操作(Operation with Constant)>乘以常量(Multiply Constant)
    8. 導(dǎo)出:7.BMP導(dǎo)出通過(guò)文件(File)菜單>導(dǎo)出(Export)>導(dǎo)出(Export)為圖像

    在導(dǎo)出對(duì)話框中將文件格式改為.BMP。現(xiàn)在bitmap 數(shù)據(jù)可以調(diào)入到SLM模塊!

    擴(kuò)展閱讀

    擴(kuò)展閱讀l  開(kāi)始視頻

    -     光路圖介紹

    -     參數(shù)運(yùn)行介紹

    -     參數(shù)優(yōu)化介紹

    l  該應(yīng)用示例相關(guān)文件:

    -     案例337: 導(dǎo)入數(shù)據(jù)陣列介紹

    -     SLM.0002:一個(gè)SLM的像素處光衍射的仿真

    -     SLM.0003: 一個(gè)基于光束整形系統(tǒng)的SLM中透鏡像差的研究

     
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