切換到寬版
  • 廣告投放
  • 稿件投遞
  • 繁體中文
    • 146閱讀
    • 0回復(fù)

    [技術(shù)]F-Theta物鏡激光掃描系統(tǒng)的性能分析 [復(fù)制鏈接]

    上一主題 下一主題
    離線infotek
     
    發(fā)帖
    5414
    光幣
    21250
    光券
    0
    只看樓主 倒序閱讀 樓主  發(fā)表于: 11-13

    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,在一維掃描過程中(沿入射角Theta),通過分析光束的場(chǎng)曲和畸變來評(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)

    - 通過光線追跡來計(jì)算掃描場(chǎng)尺寸,場(chǎng)曲和畸變

    - 通過幾何場(chǎng)追跡來計(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,通過模擬掃描過程來分析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)掃描過程。

     使用參數(shù)運(yùn)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(jī)械角度±12.5°,以模擬掃描過程。。

    掃描過程的結(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(此過程中沒有使用掃描光學(xué)原價(jià)n)(參見下圖)。

     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。

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

     如前面的掃描過程所示,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LPD的參數(shù)預(yù)覽來進(jìn)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(jìn)行掃描過程

     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;?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)度分布來說,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

     一般來說,離軸場(chǎng)軸上場(chǎng)由不同的中心方向與。 因此可以通過傾斜探測(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)

    進(jìn)一步閱讀

    以下文件給出一個(gè)詳細(xì)的描述,如何在VirtualLab中設(shè)置和優(yōu)化激光系統(tǒng): 入門視頻:

    – 介紹光路圖– 介紹參數(shù)運(yùn)行

     使用案例:– 元件的定位和取向

    – 光線追跡引擎的設(shè)置和結(jié)果演示– 使用參數(shù)運(yùn)行文檔

    – 一維數(shù)值數(shù)據(jù)陣列多重圖像模式– 大孔徑透鏡系統(tǒng)-通過幾何場(chǎng)追跡+進(jìn)行分析

     
    分享到