激光扫描系统(LSC.0001 v1.0)
DqI "B 使用非球面
透镜对激光扫描系统进行性能分析
z 36Y/{>[ &{# 6Z 应用案例概述 V%t_,AT +wHa)A0MW 系统细节 QYj 4D ;$ ]a.9
- 光源 VD!PF' - 绿光二极管
]$.w
I~J% 元件
|Ul 4n@+2 - 双轴振镜扫描仪
:: GW - 非球面透镜
9N2.:<so 探测器
vUL@i'0&o - 场曲和畸变
7)> L#(N - 光束强度剖面
JvCy&xrE; - 焦点区域探测器
F7=\*U - 光束
参数 E+ XR[p 模拟/设计
!6#.%"{- -
光线追迹:分析场曲和畸变,场追迹引擎的探测器的定位
9Ns%<FRO@ - 场追迹:考虑衍射效应,进行更精确的光束尺寸和剖面的研究
zT!.5qd ?}uvpB1} 系统说明 *y+K{ fM1 PVN`k, 4 HFYe@ 2r 2]x,joB 激光扫描系统的性能评估 n(n7"+B n"~K",~P 一个激光扫描系统的扫描
光学部分包含了一个扫描仪单元和一个非球面透镜,在一维扫描过程中(沿入射角Theta),通过分析光束的场曲和畸变来评估其性能。
{)kL7>u]^V 此外,计算了不同扫描位置处的光束尺寸和轮廓。
jrm^n_6}; Xp6Z<Z&N . 7Pp'-hK 模拟设计结果 w8KxEV= uc=u4@.> z,!A4ws VirtualLab Fusion的其他特征 ePSD#kY5 dry%aT 在本例中,您受益于以下选择的特征:
R&'Mze fb 各种探测器
h7xgLe@ - 使用场曲和畸变探测器(Field Curvature and Distortion Detector)中的找到焦点位置工具(Find Focus Position Tool)来测量焦点和光束位置
=*UVe%N4 - 使用焦点区域探测器计算焦点区域中的场
i4SWFa`` 参数耦合
mkgL/h* - 调整与理想输入扫描光学扫描角θ镜子的方向有关
-O@/S9]S) 参数运行
~jWpD7px - 生成场曲和畸变图
f8f|'v| JvJ)}d$,& 总结 @ L/i VirtualLab可以
rd X; 模拟使用双轴扫描镜和特定的光学扫描的激光扫描系统
:19s=0 分析目标平面上的光束偏转
kWbY&]ZO - 通过光线追迹来计算场曲和畸变
E*v+@rv - 通过几何场追迹来计算光束剖面
\ov]Rn - 场追迹可以更准确地分析光束焦点
IJ{VCzi %7Gq#rq
i-sm 9K'ns On+0@hh 应用案例详述 Lf Y[Z4 系统参数
%VrMlG4hx z-nV!# 应用案例内容 Y~OyoNu2 LSC.0001和LSC.0002为激光扫描系统。
%S%0/ 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。
aS+i`A :a 在LSC.0002中,演示了通过使用F-Theta物镜来提高性能。
B=i%Z_r]w NB&zBJ#
T(*A0 #XAH`L\ .zdmUS: 模拟任务 mgBxcmv x=44ITe1n[
.@Jos^rxgJ 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。
`6G:<wX 0h"uJco, j1dz'G}hj 规格:输入激光光束 ;;zd/n2b Lor__
K 激光组件中的单模二极管
激光器 xT8!X5; A)TO<dl
mp0!S
OKNGV,{` 规格:双轴振镜扫描仪 X^.~f+d~ '\LU 8VC &. "ltB
1++ Fs qo}u(pOj| 规格:非球面透镜 z%/<|`
7 +hMF\@ 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。
A:,V) #r80FVwiD
g_MxG!+(V ev(E 原始透镜(目录和网址) wW'.bqA N_y#Y{c{( VirtualLab“LightTrans定义”的元件目录包含例如Asphericon公司的透镜。
sQa9M 此外,在他们网站上Asphericon还提供了VirtualLab文件。
7Y*Q)DDy iSj.lW
E&|EokSyN v7D3aWoe 应用案例详情 _v=zFpR >tV:QP]Y 模拟和结果
U{-[lpd ltXGm)+ 双轴扫描反射镜的位置 T`| >oX
q3Y49d
7o`pNcabtz coc:$Sr% 双轴镜子同样由两个分离的镜子组成。
' ui`EL % 第一镜将目标光束偏转到x方向,而光束沿第二个镜子的旋转轴偏转。
(I(k$g[> 第二反射镜将目标光束偏转到y方向。
~=pyA#VVJ" %J|xPp) 设置扫描镜
iM s(Ywak] wHhIa3_v
\W})Z72 U\", !S~< 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)。
[r=U- 扫描镜Y的调整是相当于绕x轴的旋转(见右图)。
*XqS~G 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。
<x1H:8A 两个镜子的基础方位角定义了激光扫描仪的中心位置。
m}fY5r<<;/ 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。
:X-\!w\ +8V| 轴上的3D光线追迹分析 kZvh<NFh_ 3O'X;s2\d
eqWb>$ 08E ,U 不同Theta角的光线追迹说明 5[>N[}Ck>
1"HSM=p
3ocRq
%%K aOo;~u2-= 在光学扫描系统前定义输入扫描角Theta。
kn7Qvk[+ Nx4X1j?-n 通过参数耦合进行系统调整 &5;y&dh U-:_4[ 对于一维扫描过程,使用参数耦合工具。
3+#
"4O lIL{*q( 扫描镜Y的绝对方位角是自动设置为期望输入扫描角。
|m>n4-5QL {:d9q
dq$CCOC^F r=pb7=M#LN <\5Y~!) 1. 用户输入扫描透镜期望的输入扫描角度2. 系统参数
r$.v"Wh) 3. 输入变量4. 源代码编辑器(脚本定义)
,4z?9@wQ yzmwNsu 离轴25º的3D光线追迹分析 AehkEN&H/t
^5![tTJ
f:K`MW
H)&pay
;Cqjg.wkB -}2e+DyAy 场曲和畸变探测器 66~]7w O1K~]Nt 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)f~OL8o 因此,必须通过参数耦合工具给探测器提供θ的输入角。
*]_GFixi )|zna{g\
#T8$NZA 7Y(ySW 执行扫描过程 (KxL*gB 对于扫描过程角度θ,通过参数耦合工具来设置扫描镜,沿着y轴从1°到25°扫描,步长为1°。
V2?&3Z)W 只有沿着y轴扫描,弧矢焦点由x方向的光斑尺寸决定,子午焦点由y方向的光斑尺寸决定(后面将会介绍弧矢和子午平面)。
vVi))%&S( 从参数运行文档,可以绘制场曲图和畸变图。
,0Y5O?pu\ 使用一维数值数据阵列多重图表模式将子午(1)和弧矢(2)场曲和畸变数据结合在一起。
[,fd Nxc8 +~A<&7[}
)vFZl] NTtRz( 场曲 A?xb
u*zV, Tse
Pdkk 通过光线束的焦点到探测器的间隔∆z,沿z轴来测量场曲 。
MO$dim> 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。
!zNMU$p 对于一个平面成像面,这是测量离轴光束的离焦的一个标准。完美的图像应位于曲面而不是一个平面。对于一个激光扫描系统,这一点是必须考虑的。
O/=i'0Xv
h8!;RN[
z3[0BWXs grhwPnKl 场曲率 _(8HK 5CsJghTw 下图在显示了子午面和弧矢面的场曲。
IFY,j8~q 从结果上看,沿z轴测量场曲率,弧矢场曲要小于子午场曲。
@pD']=d}t 弧矢和子午面焦点的z偏离的多图视图
x@]pUA1 lAwOp 畸变 uvrfR?%QK 畸变定义为光线束在探测器面上横向位置y到参考位置的偏差Distortion=(yBundle-yRef)/yRef,
AT{ewb 其中
,1YnWy* yRef =EFL∙tan(Θ) 对于F-Tan(θ)畸变
d6.9]V? yRef =EEFL∙Θ 对于F-Theta畸变
,{{uRs/ yBundle 探测器平面上光束质心或光束主光线的位置
vx\h
Njb 使用扫描光学系统的有效焦距EFL可以计算探测器平面的位置,这主要取决于入射角。
,SAS\!hsE .#b! #
WqC6c&NM 9R"bo*RIS 畸变 [lC*|4t& 畸变是输入扫描角到偏转光束的理想探测器位置的线性测量,因此,畸变是探测器平面上光束位置像差的一个影响条件。
iM Xl}3 线性依赖关系可能是tan(Θ)或者在F-Theta物镜中是Θ(LSC.0002)。
a]465FY 很明显,相比于F-Tan(θ)特性,非球面透镜能够更好的校正F-Theta。这是由于相比于球面透镜,非球面透镜进行部分像差校正。
M#qZ0JT4 uj-q@IKe
<'4DMZ-G 4565U 分析轴上的光束剖面 ]AGJPuX zSYWNmj& 入射角到非球面透镜是0°。
4>gMe3]0 为了更准确的评估焦点光斑,使用几何场追迹(Geometric Field Tracing )和焦区域探测器(Focal Region Detector)分析光束剖面。
WQ]~TGW 因此,与光线追迹的结果相比,由于场追迹可以直接评价光束剖面,包括能量分布和光束发散角。,因此产生的焦点光斑在位置和尺寸方面都不同,
{=,?]Z+ D(&${Mnac
LTY@}o]\U m//(1hWv7
+mP3y~|-j 5U[;T]{)e 分析离轴的光束剖面 Z<|caT]Q( 2f]9I1{ 在一般情况下,与轴上场相比,离轴场中心方向上有所不同。
4\?I4|{pC 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。
{cv,Tz[Q> 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。
&Sc}3UI/F 最后,剩余的球面相位表示离焦像差。
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