空间光调制器像素处光衍射的仿真
D-@6 hWh~ 应用示例简述 9)+!*(D 4e>f}u5 1. 系统细节 4OM
]8I! 光源 ^?fsJ — 高斯光束 9K}DmS 组件 6?}|@y^fb — 反射型空间光调制器组件及后续的2f系统 x=rMjz-`_ 探测器 `Zuo`GP*1 — 视觉感知的仿真 m>Wt'Cc — 电磁场分布 2n>mISy+ 建模/设计 w;@v#<q6 — 场追迹: $xW9)) 一个SLM像素阵列处光传播的仿真,仿真中包括了SLM像素间无功能间隔引起的衍射效应。 EUt2S_2P /
P@P1l|I 2. 系统说明 xb[yy}>"L -ioO8D&! 8Q/cJ+& 3. 模拟 & 设计结果 < k(n% ~L&z?'V 4. 总结 )xc1Lsrr9 =UO7!vr;[ 考虑SLM像素间隔来研究空间光调制器的性能。 1y[~xxgE x!I@cP#O 第1步 /b{@'] 将像素间隔引入到一个先前设计的用于光束整形的SLM透射函数。
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3 第2步 "=]'"'B: 分析不同区域填充因子的对性能的影响。 )]Zdaw)X xM)P=y_!M+ 产生的衍射效应对SLM的光学功能以及效率具有重大影响。 Wx/PD=Sf& |(x%J[n0+ 应用示例详细内容 W{JR%Sq$ -GL.8"c[ 系统参数 g NE"z T^8`ji 1. 该应用实例的内容 }6u}?>S W"/,<xHuh X..M!3W 2. 设计&仿真任务 0Q> Q%'4jn?H 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。 S5m.oHJI* 4UL"f<7 T 3. 参数:输入近乎平行的激光束 4t*VI<=<[ Kk.\P|k2 #?M[Q: 4. 参数:SLM像素阵列 cPL6(&7 siuDg,uqK5 Rz>@G>b: 5. 参数:SLM像素阵列 JvT#Fxj k ]$)};8;7W \HoVS 应用示例详细内容 MkZoHzg}c KdlUa^}D 仿真&结果 FzsW^u+ IL&R&8' 1. VirtualLab能够模拟具有间隔的SLM A{{rNbCK 由于可以嵌入组件,VirtualLab可以轻松的实现反射系统(如反射镜,2f系统等)。 o 8^!wGY 内置的SLM模式可以实现从简单透射函数到包含像素和间隔的阵列的自动转换。 5=<fJXf5y S2I{?y&K 2. VirtualLab的SLM模块 H-&
ktQWK3 *bcemH8f F%ukT6xp 为设置像素阵列,必须输入像素阵列尺寸和区域填充因子。 Ov:U3P?% 必须设置所设计的SLM透射函数。 `sdbo](76 eZpi+BRS6 3. SLM的光学功能 6XhS
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#s=\ 在第一步,我们可以研究SLM后的电磁场。 @MH/efW. 为此,将区域填充因子设置为60%。 #R=6$ 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。 O[}2 Em<J{`k6 %[?{H} y *q1sM#;5 zW95qxXg 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。 >y@3`u] nzi)4"3O AIQ]lQ( /h!iLun7I "Bn]-o|r 4. 对比:光栅的光学功能 rYyEs
I#qo 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。 !E/%Hv1 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。 ]\=M$:,RZ 通过这种光栅,能够将光衍射到几个衍射级次,衍射级次分布在x-和y-方向(由于二维光栅结构)。 W<H^V"^ 级次越高振幅衰减越快,所以只有0级,1级以及2级贡献了主要的光强部分。 V,3$>4x 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。 sgeME^ v 4mWT"T-8 V/DdV}n! '6>nXp?)r 5~omZ,qe 5. 有间隔SLM的光学功能 pc_$,RkN 现在,基于像素阵列的区域填充因子,我们可以在傅里叶平面研究SLM的光学功能。 0K^G>)l 'q*/P&x5 1'J|yq [~rBnzb ld23^r 下图显示了(Ex方向)光强分布,图中具有相同的振幅比率。 ,OO0*% T CO^9RP< I^y,@EHR 6. 减少计算工作量 S$fCO$bU ki_Py5
(AgM7H0 采样要求: e0u*\b 至少1个点的间隔(每边)。 Y'i_EX| 如在有效区域,用户指定60%区域填充因子,模块在激活区域计算5×5点的等间距采样。 %xI,A '# g~=#8nJ 采样要求:
XS"lR | 同样,至少1个点的间隔。 !~aDmY2 假设指定90%区域填充因子,模块计算25×25点的等间距采样。 zFV?,"\r 随填充因子的增大,采样迅速增加。 5eSmyj-W =C2,?6! 为优化大填充因子条件下的计算工作量,减小相关阵列尺寸是非常有效的方法。 X5D}<J2" 如果被照明区域小于阵列尺寸(标记区域包含光强的90%),这种简化是非常适用的。 v.I>B3bEg 如果只考虑标记的范围,仅计算SLM的320×320个像素即可(SLM模块自动删除了透射函数边界)。 VFwp .1oa! 通过优化,计算工作量减少了4.7倍。 fqU*y 6] Ke+#ww i;B)@op.# l<RztzUw
减小SLM阵列尺寸后计算所得的振幅分布几乎和全阵列一样。 Vg4N7i 7. 指定区域填充因子的仿真 :<Y, f(c m-No 8)2yA 由于间隔非常狭窄,Hamamatsu’s X10468 指定填充因子为98%,需要更多的采样点进行计算。 "# mr?h_ 全阵列尺寸798×600像素将需要79992×60600个采样点,需要极高的计算量。 PYz^9Ud 6g 因此,可适当减小阵列尺寸到320×320像素,采样点数目为32320×32320。 x+7jJ=F 在优化的帮助下,可对指定区域填充因子进行研究(该仿真仍需约256GB的内存)。 A#j'JA>_ +V6N/{^5 ;M"JN:J8 8. 总结 gaw/3@ 考虑SLM像素间隔来研究空间光调制器的性能。 ,0=:06l MRdZ ' 第1步 {` Lem 将像素间隔引入到一个先前设计的用于光束整形的SLM透射函数。 H-o>|C 1Lb+
& 第2步 vHPp$lql 分析不同区域填充因子的对性能的影响。 @t6B\ ?4'T 扩展阅读 (1(dL_? 扩展阅读 k%)QrRnB 开始视频 {?' DZR s - 光路图介绍 8D U|j-I8
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