使用非球面透鏡對激光掃描系統進(jìn)行性能分析

激光掃描系統（LSC.0001 v1.0）

使用非球面透鏡對激光掃描系統進(jìn)行性能分析

應用案例概述

 

系統細節

 

光源

- 綠光二極管

元件

- 雙軸振鏡掃描儀

- 非球面透鏡

探測器

- 場(chǎng)曲和畸變

- 光束強度剖面

- 焦點(diǎn)區域探測器

- 光束參數

模擬/設計

- 光線(xiàn)追跡：分析場(chǎng)曲和畸變，場(chǎng)追跡引擎的探測器的定位

- 場(chǎng)追跡：考慮衍射效應，進(jìn)行更精確的光束尺寸和剖面的研究

 

系統說(shuō)明

 

 

 

激光掃描系統的性能評估

 

一個(gè)激光掃描系統的掃描光學(xué)部分包含了一個(gè)掃描儀單元和一個(gè)非球面透鏡，在一維掃描過(guò)程中（沿入射角Theta），通過(guò)分析光束的場(chǎng)曲和畸變來(lái)評估其性能。

此外，計算了不同掃描位置處的光束尺寸和輪廓。

 

 

模擬設計結果

 

 

VirtualLab Fusion的其他特征
 

在本例中，您受益于以下選擇的特征：

各種探測器

- 使用場(chǎng)曲和畸變探測器（Field Curvature and Distortion Detector）中的找到焦點(diǎn)位置工具（Find Focus Position Tool）來(lái)測量焦點(diǎn)和光束位置

- 使用焦點(diǎn)區域探測器計算焦點(diǎn)區域中的場(chǎng)

參數耦合

- 調整與理想輸入掃描光學(xué)掃描角θ鏡子的方向有關(guān)

參數運行

- 生成場(chǎng)曲和畸變圖

 

總結

VirtualLab可以

模擬使用雙軸掃描鏡和特定的光學(xué)掃描的激光掃描系統

分析目標平面上的光束偏轉

- 通過(guò)光線(xiàn)追跡來(lái)計算場(chǎng)曲和畸變

- 通過(guò)幾何場(chǎng)追跡來(lái)計算光束剖面

- 場(chǎng)追跡可以更準確地分析光束焦點(diǎn)

 

 

應用案例詳述

系統參數

 

應用案例內容

LSC.0001和LSC.0002為激光掃描系統。

在這個(gè)例子中，分析了作為掃描透鏡的非球面透鏡的場(chǎng)曲和畸變，以來(lái)模擬一個(gè)掃描過(guò)程。

在LSC.0002中，演示了通過(guò)使用F-Theta物鏡來(lái)提高性能。

 

 

模擬任務(wù)

 

為了評估激光掃描系統的性能，在一維掃描過(guò)程中沿著(zhù)入射角θ探測場(chǎng)曲和畸變。

 

規格：輸入激光光束

 

激光組件中的單模二極管激光器

 

規格：雙軸振鏡掃描儀

 

 

 

規格：非球面透鏡

 

從Asphericon目錄中選擇一個(gè)凸平面（convex-plano）非球面透鏡作為激光掃描系統的掃描光學(xué)透鏡。

 

 

原始透鏡（目錄和網(wǎng)址）

 

VirtualLab“LightTrans定義”的元件目錄包含例如Asphericon公司的透鏡。

此外，在他們網(wǎng)站上Asphericon還提供了VirtualLab文件。

 

應用案例詳情
 

模擬和結果

 

雙軸掃描反射鏡的位置

 

雙軸鏡子同樣由兩個(gè)分離的鏡子組成。

第一鏡將目標光束偏轉到x方向，而光束沿第二個(gè)鏡子的旋轉軸偏轉。

第二反射鏡將目標光束偏轉到y方向。

 

設置掃描鏡

 

掃描鏡X沿y軸旋轉，使用基礎方位角進(jìn)行旋轉，與光軸之間的角度為45°（見(jiàn)左圖）。

掃描鏡Y的調整是相當于繞x軸的旋轉（見(jiàn)右圖）。

請注意，在VirtualLab中坐標系統是根據反射定律來(lái)旋轉的，光軸是沿方向z ⃑來(lái)定義的。

兩個(gè)鏡子的基礎方位角定義了激光掃描儀的中心位置。

使用鏡子的絕對方位角，相對于固定的中心位置（光軸），光束在x方向和y方向上偏離。

 

軸上的3D光線(xiàn)追跡分析

 

不同Theta角的光線(xiàn)追跡說(shuō)明

 

在光學(xué)掃描系統前定義輸入掃描角Theta。

 

通過(guò)參數耦合進(jìn)行系統調整

 

 對于一維掃描過(guò)程，使用參數耦合工具。

 

場(chǎng)曲和畸變探測器
 

通過(guò)尋找焦點(diǎn)位置工具（Find Focus Position Tool），場(chǎng)曲和畸變探測器可以測量3D焦點(diǎn)位置，且光束位置依賴(lài)于在掃描光學(xué)之前的球形輸入角θ的在屏幕上的測量光束位置。

因此，必須通過(guò)參數耦合工具給探測器提供θ的輸入角。

 

執行掃描過(guò)程

對于掃描過(guò)程角度θ，通過(guò)參數耦合工具來(lái)設置掃描鏡，沿著(zhù)y軸從1°到25°掃描，步長(cháng)為1°。

只有沿著(zhù)y軸掃描，弧矢焦點(diǎn)由x方向的光斑尺寸決定，子午焦點(diǎn)由y方向的光斑尺寸決定（后面將會(huì )介紹弧矢和子午平面）。

從參數運行文檔，可以繪制場(chǎng)曲圖和畸變圖。

使用一維數值數據陣列多重圖表模式將子午(1)和弧矢(2)場(chǎng)曲和畸變數據結合在一起。

 

 

場(chǎng)曲
 

通過(guò)光線(xiàn)束的焦點(diǎn)到探測器的間隔∆z，沿z軸來(lái)測量場(chǎng)曲 。

因此，在兩個(gè)分離的平面，焦點(diǎn)是通過(guò)（RMS spot radii）均方根半徑確定：子午和弧矢平面。其如下圖的一個(gè)成像光學(xué)系統所示，類(lèi)似于激光系統。

對于一個(gè)平面成像面，這是測量離軸光束的離焦的一個(gè)標準。完美的圖像應位于曲面而不是一個(gè)平面。對于一個(gè)激光掃描系統，這一點(diǎn)是必須考慮的。

 

場(chǎng)曲率
 

下圖在顯示了子午面和弧矢面的場(chǎng)曲。

從結果上看，沿z軸測量場(chǎng)曲率，弧矢場(chǎng)曲要小于子午場(chǎng)曲。

 

弧矢和子午面焦點(diǎn)的z偏離的多圖視圖

 

畸變

畸變定義為光線(xiàn)束在探測器面上橫向位置y到參考位置的偏差Distortion=(yBundle-yRef)/yRef，

其中

yRef =EFL∙tan（Θ）                   對于F-Tan（θ）畸變

yRef =EEFL∙Θ                         對于F-Theta畸變

yBundle                             探測器平面上光束質(zhì)心或光束主光線(xiàn)的位置

使用掃描光學(xué)系統的有效焦距EFL可以計算探測器平面的位置，這主要取決于入射角。

 

 

畸變

畸變是輸入掃描角到偏轉光束的理想探測器位置的線(xiàn)性測量，因此，畸變是探測器平面上光束位置像差的一個(gè)影響條件。

線(xiàn)性依賴(lài)關(guān)系可能是tan（Θ）或者在F-Theta物鏡中是Θ（LSC.0002）。

很明顯，相比于F-Tan(θ)特性，非球面透鏡能夠更好的校正F-Theta。這是由于相比于球面透鏡，非球面透鏡進(jìn)行部分像差校正。

 

 

分析軸上的光束剖面
 

入射角到非球面透鏡是0°。

為了更準確的評估焦點(diǎn)光斑，使用幾何場(chǎng)追跡（Geometric Field Tracing ）和焦區域探測器（Focal Region Detector）分析光束剖面。

因此，與光線(xiàn)追跡的結果相比，由于場(chǎng)追跡可以直接評價(jià)光束剖面，包括能量分布和光束發(fā)散角。，因此產(chǎn)生的焦點(diǎn)光斑在位置和尺寸方面都不同， 

 

 

 

分析離軸的光束剖面

 

在一般情況下，與軸上場(chǎng)相比，離軸場(chǎng)中心方向上有所不同。

因此，如果探測器（1）正交于光軸的話(huà)，線(xiàn)性相位的疊加依賴(lài)于中心方向。 

通過(guò)傾斜探測器(2)以避免線(xiàn)性相位，根據場(chǎng)的中心方向，可由主光線(xiàn)的方向決定。

最后，剩余的球面相位表示離焦像差。

 

 

入射角到非球面透鏡是25°。

在探測器平面將探測器進(jìn)行橫向偏移以及傾斜來(lái)減小采樣數以分析光束剖面。

通過(guò)橢圓光束剖面（下左圖）和像散波前（下右圖）可知，產(chǎn)生的光束分布受到像散的影響。

 

 

其他的VirtualLab特征

在此案例中，您可以從以下選擇的特征中獲益：

探測器種類(lèi)

在場(chǎng)曲和畸變探測器（Field Curvature and Distortion Detector）中使用尋找焦點(diǎn)位置工具（Find Focus Position Tool）來(lái)測量焦點(diǎn)和光束位置（Find Focus Position Tool）

在焦區域，使用焦區域探測器來(lái)計算焦區域中的場(chǎng)

參數耦合

調整反射鏡方位角，即到掃描透鏡的期望輸入掃描角度theta

參數運行

生成場(chǎng)曲圖和畸變圖

 

總結

VirtualLab可以

使用雙軸掃描鏡和指定掃描光學(xué)透鏡模擬激光掃描系統

在目標平面上，分析偏轉光束

通過(guò)光線(xiàn)追跡計算場(chǎng)曲和扭曲

通過(guò)幾何場(chǎng)追跡計算光束剖面

場(chǎng)追跡可以更加準確地分析焦點(diǎn)光束

 

 

進(jìn)一步閱讀

 

進(jìn)一步閱讀：參考文獻

[1] Von Scanlab7 - Eigenes Werk, CC BY-SA 3.0, Werk,CC-BY-SA3.0,https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=16724483

 

進(jìn)一步閱讀

以下文檔給出了一個(gè)詳細的描述，如何在VirtualLab中設置和優(yōu)化激光系統：

入門(mén)視頻：

- 介紹光路圖

- 介紹參數運行

使用案例：

- 元件的定位和取向

- 光線(xiàn)追跡引擎的設置和結果演示

- 使用參數運行文檔

- 一維數值數據陣列多重圖像模式

- 大孔徑透鏡系統-通過(guò)幾何場(chǎng)追跡+進(jìn)行分析