激光扫描系统(LSC.0001 v1.0)
BX?DI-o^h 使用非球面
透镜对激光扫描系统进行性能分析
KrpIH6 XYo,5- 应用案例概述 5*$yY-A xG/Q%A 系统细节 p/<DR| n4kq=Z% 光源 M-^I! C - 绿光二极管
&'z_:W m 元件
zTg\\z; - 双轴振镜扫描仪
AT"gRCU$4 - 非球面透镜
3s%?)z 探测器
""-wM~^D - 场曲和畸变
0VNLhM(LM - 光束强度剖面
X+;[Gc}(W - 焦点区域探测器
\1<'XVS - 光束
参数 }Ja-0v)Wf 模拟/设计
%4*c/ c6 -
光线追迹:分析场曲和畸变,场追迹引擎的探测器的定位
|R9Lben', - 场追迹:考虑衍射效应,进行更精确的光束尺寸和剖面的研究
kG>jb!e@( GY]P(NU 系统说明 ^#:;6^Su }emUpju<C )=~&l={T x4^nT=?6_ 激光扫描系统的性能评估 6|jZv~rS$ .#yg=t1C 一个激光扫描系统的扫描
光学部分包含了一个扫描仪单元和一个非球面透镜,在一维扫描过程中(沿入射角Theta),通过分析光束的场曲和畸变来评估其性能。
{zb'Z Yz 此外,计算了不同扫描位置处的光束尺寸和轮廓。
]UvB+M]Lv) XKjrS
9: -8n1y[ 模拟设计结果 _<S!tW dOeM0_o cLZ D\1Mt VirtualLab Fusion的其他特征 |o5eG>< @Go_5X( 在本例中,您受益于以下选择的特征:
$wUYK%. 各种探测器
J p=qPG| - 使用场曲和畸变探测器(Field Curvature and Distortion Detector)中的找到焦点位置工具(Find Focus Position Tool)来测量焦点和光束位置
*I]]Ogpq= - 使用焦点区域探测器计算焦点区域中的场
G)7U&B 参数耦合
VExhN'; - 调整与理想输入扫描光学扫描角θ镜子的方向有关
jSem/; 参数运行
U<j5s\Y, - 生成场曲和畸变图
G8M~}I/) w5m/[Z 总结 c u/"=]D VirtualLab可以
DsHF9Mn 模拟使用双轴扫描镜和特定的光学扫描的激光扫描系统
s%D%c;.| 分析目标平面上的光束偏转
<&E}db - 通过光线追迹来计算场曲和畸变
HgQjw! - 通过几何场追迹来计算光束剖面
v,-Tk=qP - 场追迹可以更准确地分析光束焦点
|A3"Jc.2o J>_mDcPo pQa51 nc +VUkV-kP 应用案例详述 y[ dBmTY 系统参数
9kD#'BxC oXG_6E!^ 应用案例内容 {>ba7-Cy+y LSC.0001和LSC.0002为激光扫描系统。
~wa4kS<> 在这个例子中,分析了作为扫描透镜的非球面透镜的场曲和畸变,以来模拟一个扫描过程。
.\XRkr'- 在LSC.0002中,演示了通过使用F-Theta物镜来提高性能。
SP%X@~d s 4`-mIa IO\1nB$0nb J||g(+H> 07.p
{X R 模拟任务 %],BgLhS. zb0NqIN: e)e(f"t6Q 为了评估激光扫描系统的性能,在一维扫描过程中沿着入射角θ探测场曲和畸变。
3WwS+6R p.W7>o,[w |P5dv>tb
F 规格:输入激光光束 \g34YY^L3 N?@^BZ 激光组件中的单模二极管
激光器 >|SIqB<%: 31G:[;g $wM..ee B
/;(#{U; 规格:双轴振镜扫描仪 g}+|0FTV XC3)#D#HGh L0![SE> q-z1ElrN7u V>Jr4z 规格:非球面透镜 IUOf/mM5 2* g2UP 从Asphericon目录中选择一个凸平面(convex-plano)非球面透镜作为激光扫描系统的扫描光学透镜。
S|=)^$: b~^'P .BPd06y K28L(4 ) 原始透镜(目录和网址) mP^ B2"|q qJ;~ANwt VirtualLab“LightTrans定义”的元件目录包含例如Asphericon公司的透镜。
J`5VE$2M 此外,在他们网站上Asphericon还提供了VirtualLab文件。
*8)?ZZMM ?i<l7 oRbWqN`F. nFni1cCD 应用案例详情 hrniZ^ Be{@ L 模拟和结果
U4d7-&U ^y>V-R/N 双轴扫描反射镜的位置 C@-Hm
Z. ${WZW
m}yu4 va@;V+cD 双轴镜子同样由两个分离的镜子组成。
l4RqQ+[KA; 第一镜将目标光束偏转到x方向,而光束沿第二个镜子的旋转轴偏转。
@JSWqi> 第二反射镜将目标光束偏转到y方向。
!8p>4 |VM UA.Tp [u 设置扫描镜
/>xEpR3_A 0j$=KA :Ou~?q%X $@VJ@JAe 扫描镜X沿y轴旋转,使用基础方位角进行旋转,与光轴之间的角度为45°(见左图)。
fS}Eu4Xe 扫描镜Y的调整是相当于绕x轴的旋转(见右图)。
Uv59 XF$ 请注意,在VirtualLab中坐标系统是根据反射定律来旋转的,光轴是沿方向z ⃑来定义的。
$l,U) 两个镜子的基础方位角定义了激光扫描仪的中心位置。
0/~p1SSun 使用镜子的绝对方位角,相对于固定的中心位置(光轴),光束在x方向和y方向上偏离。
%ZRv+}z }e7/F[c.U 轴上的3D光线追迹分析 <x`yoVPiZg 3JD62wtx /,I?"&FWc Rc)]A&J 不同Theta角的光线追迹说明 b#7nt ?`7p
0faf4LzU!
5^uX!_r` K14.!m 在光学扫描系统前定义输入扫描角Theta。
zDYJe_m ~ `_yksh3zL4 通过参数耦合进行系统调整 k8E2?kbF OC5oxL2HTe 对于一维扫描过程,使用参数耦合工具。
!o|
ex+z; +!@xH]; 扫描镜Y的绝对方位角是自动设置为期望输入扫描角。
-AnJLFY oxFd@WV5 ]>)}xfL &, .NdsKhg
b CMC p7-v 1. 用户输入扫描透镜期望的输入扫描角度2. 系统参数
a3A-N] ;f 3. 输入变量4. 源代码编辑器(脚本定义)
8k{XUn tDAX
pi( 离轴25º的3D光线追迹分析 '5$: #|-
1mgw0QO
<> =(BAw
g?1bEOA!
:TrP3wV_ 4-O.i\1q 场曲和畸变探测器 K{y`Sb~k :SFf} 通过寻找焦点位置工具(Find Focus Position Tool),场曲和畸变探测器可以测量3D焦点位置,且光束位置依赖于在扫描光学之前的球形输入角θ的在屏幕上的测量光束位置。
1
=?pL$+G 因此,必须通过参数耦合工具给探测器提供θ的输入角。
~i-n_7 + <mLU-'c@ "% \y$ #5;4O{ 执行扫描过程 zV$Z@o 对于扫描过程角度θ,通过参数耦合工具来设置扫描镜,沿着y轴从1°到25°扫描,步长为1°。
lS;S:-
-F 只有沿着y轴扫描,弧矢焦点由x方向的光斑尺寸决定,子午焦点由y方向的光斑尺寸决定(后面将会介绍弧矢和子午平面)。
3 }
$9./+ 从参数运行文档,可以绘制场曲图和畸变图。
;d7Qw~v1s 使用一维数值数据阵列多重图表模式将子午(1)和弧矢(2)场曲和畸变数据结合在一起。
o)\EfPT 'o]}vyz; g3n>}\xG> Jv2V@6a( 场曲 Mn\L55?E( :@~3wD[y 通过光线束的焦点到探测器的间隔∆z,沿z轴来测量场曲 。
@6 jKjI 因此,在两个分离的平面,焦点是通过(RMS spot radii)均方根半径确定:子午和弧矢平面。其如下图的一个
成像光学系统所示,类似于激光系统。
mznE Cy 对于一个平面成像面,这是测量离轴光束的离焦的一个标准。完美的图像应位于曲面而不是一个平面。对于一个激光扫描系统,这一点是必须考虑的。
9MRe? /\jRr7 Cd \XY2s&" g[2[
zIB= 场曲率 C/"Wh=h6 ku v< 下图在显示了子午面和弧矢面的场曲。
H_JT"~_2 从结果上看,沿z轴测量场曲率,弧矢场曲要小于子午场曲。
j~2t^Qz
弧矢和子午面焦点的z偏离的多图视图
<D nv=)Rq qB3&F pgW 畸变 KG5B6Om5' 畸变定义为光线束在探测器面上横向位置y到参考位置的偏差Distortion=(yBundle-yRef)/yRef,
YcaLc_pUx 其中
:fG9p` yRef =EFL∙tan(Θ) 对于F-Tan(θ)畸变
wu0JXB%&^ yRef =EEFL∙Θ 对于F-Theta畸变
"^pF2JI yBundle 探测器平面上光束质心或光束主光线的位置
+Y~,1ai 5^ 使用扫描光学系统的有效焦距EFL可以计算探测器平面的位置,这主要取决于入射角。
h7\EN imS&N.*3m ]=^NTm, )N
^g0L 畸变 AQBr{^inH| 畸变是输入扫描角到偏转光束的理想探测器位置的线性测量,因此,畸变是探测器平面上光束位置像差的一个影响条件。
p t{/|P 线性依赖关系可能是tan(Θ)或者在F-Theta物镜中是Θ(LSC.0002)。
9NC6q-2 很明显,相比于F-Tan(θ)特性,非球面透镜能够更好的校正F-Theta。这是由于相比于球面透镜,非球面透镜进行部分像差校正。
jK=-L#hz iV%tn{fc Yi"jj;!^S 7 ( / 分析轴上的光束剖面 bU(fH^ 47/YDy% 入射角到非球面透镜是0°。
FCr> $ 为了更准确的评估焦点光斑,使用几何场追迹(Geometric Field Tracing )和焦区域探测器(Focal Region Detector)分析光束剖面。
[k
+fkr] 因此,与光线追迹的结果相比,由于场追迹可以直接评价光束剖面,包括能量分布和光束发散角。,因此产生的焦点光斑在位置和尺寸方面都不同,
n;dp%SD BI)$aR !
+Hc(i My>{;n=} [=xO>
DCtrTX 分析离轴的光束剖面 T;I>5aQ:q4 tO QY./I 在一般情况下,与轴上场相比,离轴场中心方向上有所不同。
a_(vpD^ 因此,如果探测器(1)正交于光轴的话,线性相位的叠加依赖于中心方向。
Jqi^Z*PuX 通过倾斜探测器(2)以避免线性相位,根据场的中心方向,可由主光线的方向决定。
:] +D+[c) 最后,剩余的球面相位表示离焦像差。
D(S^g+rd b_0Xi @xtfm.} 8BJ&"y8H bxg9T(Bj g*#.yC1/ 入射角到非球面透镜是25°。
Y_&