空间光调制器像素处光衍射的仿真
;~,)6UX7 应用示例简述 &M>o Nn#;Kjul. 1. 系统细节 yQcIfl]f 光源 k*4!rWr0r& — 高斯光束 C;3 组件 1'B& e) — 反射型空间光调制器组件及后续的2f系统 Y(RB@+67 探测器 Y{d-k1?s5 — 视觉感知的仿真 ??#SQSU — 电磁场分布 RNo~}# 建模/设计 sTS/]"l — 场追迹: :\Q#W4~p 一个SLM像素阵列处光传播的仿真,仿真中包括了SLM像素间无功能间隔引起的衍射效应。 dI+Y1Vq 8kLHQ0pmu 2. 系统说明 ]T<tkvcI 5<XWbGW Skg}/Ek 3. 模拟 & 设计结果 r]0>A&, p%R+ c 4. 总结 -}1TT@ o<gK"P 考虑SLM像素间隔来研究空间光调制器的性能。 TKp2C5bX )g?ox{Hol 第1步 |LRAb#F\ 将像素间隔引入到一个先前设计的用于光束整形的SLM透射函数。 JU#m?4g _lDNYpv 第2步 K&VMhMVb 分析不同区域填充因子的对性能的影响。 UHgW-N" x1h&`QUP 产生的衍射效应对SLM的光学功能以及效率具有重大影响。 l(9AwVoAR| sd9b9?qiu 应用示例详细内容 "l{{H&d %'uei4 系统参数 m3~_uc/+D ?bPW*A82{q 1. 该应用实例的内容 }_BNi;H u9m ~1\R* 2bOl`{x 2. 设计&仿真任务 AJ3%Z$JJ;s z=TOGP( 由于制造和技术的原因,像素之间存在非功能间隔。这种典型的间隔会产生衍射效应,从而影响SLM的光学性能,并在接下来的工作中对其进行研究。 \.'[!GE *c kl1/( 3. 参数:输入近乎平行的激光束 l"1*0jgBw i&%m^p xI_0`@do 4. 参数:SLM像素阵列 |c>.xt~ *07?U") h=qT@)h1> 5. 参数:SLM像素阵列 5 B t~tt UfIr"bU6 wPX^P 应用示例详细内容 @?jtB zwU1(?]I{ 仿真&结果 Xr:s-L .4ZOm'ko{ 1. VirtualLab能够模拟具有间隔的SLM (d/!M
n6L 由于可以嵌入组件,VirtualLab可以轻松的实现反射系统(如反射镜,2f系统等)。 [mQdc?n\ 内置的SLM模式可以实现从简单透射函数到包含像素和间隔的阵列的自动转换。 L?Ys(a"k cF_`QRtO 2. VirtualLab的SLM模块 G3 |x%/Fbp 4K\o2p?4 sH>`eqY 为设置像素阵列,必须输入像素阵列尺寸和区域填充因子。 h$}PQ 必须设置所设计的SLM透射函数。 eY-h<K)y d"@ /{O^1 3. SLM的光学功能 A;^ iy]" 4*L*"vKa 在第一步,我们可以研究SLM后的电磁场。 /M'd$k"0z 为此,将区域填充因子设置为60%。 I:HrBhI)wP 首先,获得场(Ex方向)的振幅,分别显示了SLM像素及其间隔的影响。 8rx|7 "h #/b}/ 93Zij<bH?e ^BM !TQ%! -Lq2K3JHyn 此处,场(Ex方向)的(Wrapped)位相如下图所示,其中所有的间隔的相位值都为一个常数值。 cly} [<w! ^|=P9'4Th ;aj;(Z.p) C\ joDAD YQ.ci4.f 4. 对比:光栅的光学功能 Zk/ejhy0 上述的像素效应可以用相似光学功能的2D周期结构的进行比较。 F,A+O+ 所示函数(Ex的振幅)相当于一个SLM,其像素提供一个常数位相函数。 e&2,cQRFV 通过这种光栅,能够将光衍射到几个衍射级次,衍射级次分布在x-和y-方向(由于二维光栅结构)。 &AOGg\ 级次越高振幅衰减越快,所以只有0级,1级以及2级贡献了主要的光强部分。 }6BXa 这意味着,对于SLM,我们所期望的光分布具有有较高的级次,其光强由区域填充因子决定。 V0rQtxE{F #0vda'q=j
z9g ++]rkJ L ph0C^8 7#d:TXS 5. 有间隔SLM的光学功能 Q"B8l[ 现在,基于像素阵列的区域填充因子,我们可以在傅里叶平面研究SLM的光学功能。 )bR0>3/ M.6uWwzQR G0|}s&$yL FZO&r60$E NuSdN>8ll 下图显示了(Ex方向)光强分布,图中具有相同的振幅比率。 ErJ/h?+ :V5 Co!/+ 8nu!5 3 6. 减少计算工作量 ,(a~vqNQW3 4].o:d;`/
[k>{q+MWK 采样要求: Il9xNVos# 至少1个点的间隔(每边)。 FZn1$_Svr 如在有效区域,用户指定60%区域填充因子,模块在激活区域计算5×5点的等间距采样。 >Oj$Dn= Z5n-3h!+ED 采样要求:
Igmg& 同样,至少1个点的间隔。 !yPy@eP~ 假设指定90%区域填充因子,模块计算25×25点的等间距采样。 $~G5s<r 随填充因子的增大,采样迅速增加。 _B#x{ii \Cu=Le^ 为优化大填充因子条件下的计算工作量,减小相关阵列尺寸是非常有效的方法。 tM;cvc`/ 如果被照明区域小于阵列尺寸(标记区域包含光强的90%),这种简化是非常适用的。 ;4ybkOD 如果只考虑标记的范围,仅计算SLM的320×320个像素即可(SLM模块自动删除了透射函数边界)。 ['Lo8 [ 通过优化,计算工作量减少了4.7倍。 BO4;S/ O ZzNHEV }~|`h1JF v@ OELJX
减小SLM阵列尺寸后计算所得的振幅分布几乎和全阵列一样。 .%{B=_7 7. 指定区域填充因子的仿真 Wz=&
0>Mm_ %hN>o) 由于间隔非常狭窄,Hamamatsu’s X10468 指定填充因子为98%,需要更多的采样点进行计算。 @wa"pWx8 全阵列尺寸798×600像素将需要79992×60600个采样点,需要极高的计算量。 hHTt-x# 因此,可适当减小阵列尺寸到320×320像素,采样点数目为32320×32320。 ULxQyY;32 在优化的帮助下,可对指定区域填充因子进行研究(该仿真仍需约256GB的内存)。 )I3E yNXYS iAQ[;M3p 8. 总结 vR:#g;mnk 考虑SLM像素间隔来研究空间光调制器的性能。 1t^y?<) &"JC8 第1步 S+~;PmN9qL 将像素间隔引入到一个先前设计的用于光束整形的SLM透射函数。 n]Yz<# 3))CD,| 第2步 lY"l6.c 分析不同区域填充因子的对性能的影响。 m!G(vhA,_w 扩展阅读 .tLRY 扩展阅读 NZv 8# 开始视频 G gA:;f46 - 光路图介绍 U ->vk{v
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