概括案例
1.系統細節
光源
- 綠色激光二極管
元件
- 基于單掃描微鏡的激光掃描系統，例如MEMS（微機電系統）
探測器
- 光線(xiàn)可視化檢查（3D顯示）
- 場(chǎng)分布和相位計算
- 光束參數（M2值，發(fā)散角）
建模/設計
- 光線(xiàn)追跡：首先概覽系統性能
- 場(chǎng)追跡：
√ 光束傳播包含表面像差
√ 分析生成光束的形狀和質(zhì)量
2.系統圖片
3.模擬和設計結果
鏡像差（由澤尼克多項式表示）：
4.總結
基于單掃描微鏡的激光掃描系統（例如MEMS）中的鏡像差進(jìn)行建模和仿真。
1) 模擬
通過(guò)使用光線(xiàn)追跡方法驗證激光掃描設置
2) 建模
使用澤尼克標準界面來(lái)模擬靜態(tài)或動(dòng)態(tài)形式的復雜鏡面像差
3) 分析
為了計算場(chǎng)分布和評價(jià)光束形狀和參數，應用經(jīng)典場(chǎng)追跡引擎
復雜的系統，如基于單微鏡的激光掃描儀可以通過(guò)使用VirtualLab Fusion來(lái)模擬。此外，幾乎所有類(lèi)型的表面變形都可以通過(guò)引入澤尼克像差到掃描鏡來(lái)模擬。因此，可以根據掃描的位置評估光束形狀和質(zhì)量。
詳細案例
系統參數
1. 此案例的背景和目的
作為一個(gè)掃描鏡必須包含兩個(gè)掃描軸以及考慮一個(gè)更復雜的傾斜操作（傾斜的方向并不是獨立的）。
另外，將表面像差引入到掃描鏡，可以是靜態(tài)或動(dòng)態(tài)類(lèi)型。
因為澤尼克多項式非常適合描述幾乎所有類(lèi)型的像差，它們可用于演示表面偏差。
2. 模擬鏡像差：澤尼克界面
為了模擬靜態(tài)或動(dòng)態(tài)鏡像差，使用澤尼克界面。
通過(guò)使用澤尼克多項式，可以適當地插入任意相位或表面偏差。
多項式可以通過(guò)系數分類(lèi)，例如使用Noll’s多階組合。
具體系數包含多項式的階數和徑向分解級次。
例如，系數3 1 0意味著(zhù)多項式3和級數n=1，級數m=0。
這個(gè)定義也在VirtualLab fusion的澤尼克界面實(shí)現。
3. 模擬任務(wù)：LCS中的鏡像差
為了研究鏡像差，討論一個(gè)基于固定轉向鏡和一個(gè)掃描微鏡器件的激光掃描系統（例如MEMS）。
鏡像差將假定為澤尼克多項式。
例如，將演示彗差（7 3 1）和三葉形（9 3 3）形狀的像差。
4. 規格：準直激光光束
高斯光束由激光元件的單模激光二極管發(fā)射出。
5. 規格：2D MEMS掃描微鏡芯片
6. 激光掃描系統的光路圖
由于VirtualLab Fusion的相對定位系統，只需要確定在z方向的距離。
理想像差都包含在掃描鏡元件內。
7. 掃描操作中的鏡面傾斜
因為掃描微鏡的傾斜與兩軸有關(guān)，傾斜操作并不是獨立的。
為了計算理想掃描位置的傾斜角，必須考慮反射三維定律：
（k為歸一化波矢量，n為鏡表面法向量和歸一化因子）
這個(gè)向量關(guān)系可以使用VirtualLab Fusion的參數耦合功能解決。
因此，需要的傾斜角是由理想掃描位置自動(dòng)計算得到。
詳細案例
仿真和結果
1.結果：使用光線(xiàn)追跡分析
首先，應用光線(xiàn)追跡（Ray Tracing）研究光在光學(xué)系統的傳輸。
使用內置的光線(xiàn)追跡系統分析器（Ray Tracing System Analyzer）來(lái)進(jìn)行分析。
所用文件: LSC.0003_LaserScanning_ Aberrations_01_RT.lpd
2. 模擬鏡像差：彗差
所用文件：LSC.0003_LaserScanning_ Aberrations_02_Coma.lpd
3. 結果：彗差整形鏡像差
研究中心掃描位置（電場(chǎng)幅度）的光斑形狀和質(zhì)量
無(wú)像差（M²1.00×1.00）的初始位置形狀
在波長(cháng)（PV）中，各類(lèi)像差的大小
由于不對稱(chēng)像差，點(diǎn)像主要是在一個(gè)方向失真。
計算不同掃描位置的光斑形狀和5λ峰谷的彗差類(lèi)型。
所用文件：LSC.0003_LaserScanning_ Aberrations_02_Coma.lpd
4. 模擬鏡面像差：三葉形
第二個(gè)例子：多項式展示出系數9 3 3描述了三葉形狀的像差。
再次，選擇這樣的參數，對應于一個(gè)波長(cháng)（峰谷）的變化。
使用z尺寸參數再次變化像差的大小。
所用文件: LSC.0003_LaserScanning_ Aberrations_04_Trefoil.lpd
5. 結果：三葉型整形鏡面像差
模擬中心掃描位置（電場(chǎng)振幅）的光斑形狀和質(zhì)量。
無(wú)像差（M²1.00×1.00）的初始點(diǎn)形狀：
由于像差的對稱(chēng)性，點(diǎn)失真是對稱(chēng)的，在兩個(gè)方向M2值都增加。
所用文件：LSC.0003_LaserScanning_ Aberrations_05_Trefoil.run
計算不同掃描位置的點(diǎn)形狀和5λ峰谷的一個(gè)三葉型像差。
所用文件：LSC.0003_LaserScanning_ Aberrations_04_Trefoil.lpd
6.結果：像差掃描
在靜態(tài)像差的情況下，對所有偏轉角來(lái)說(shuō)鏡面偏差是常數。
通過(guò)在理想掃描區域應用一個(gè)參數運行來(lái)生成掃描圖案。
如例所示，顯示一致的圖案掃描（5mm空間）。
所用文件：LSC.0003_LaserScanning_ Aberrations_07 & 08_Static.lpd
7. 模擬混合鏡像差
為了描述更加復雜的鏡像差，可以組合表面的不同形狀。
如果是澤尼克類(lèi)型的像差，可以通過(guò)設置相應的系數在界面中結合不同類(lèi)型。
如果使用不同類(lèi)型的界面更合適，那么組合的界面使兩個(gè)或更多類(lèi)型的界面合并（如澤尼克類(lèi)型）。
如果發(fā)生靜態(tài)和動(dòng)態(tài)像差，也可以使用合并的界面。
8.結果：合并后的鏡像差
利用合并后的界面來(lái)模擬兩個(gè)不同鏡面像差的組合。
在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)影響像差的情況下，一個(gè)界面設置為代表的靜態(tài)部分，另一個(gè)代表動(dòng)態(tài)效果。
所用文件：LSC.0003_LaserScanning_ Aberrations_06_Combined.lpd
9. 結果：靜態(tài)和動(dòng)態(tài)鏡像差
現在使用合并后的界面來(lái)模擬靜態(tài)和動(dòng)態(tài)鏡面像差。
在這個(gè)例子中，根據掃描鏡的偏轉（通過(guò)使用參數耦合），第二個(gè)界面（澤尼克9 3 3）像差的大小是不同的。
所用文件：LSC.0003_LaserScanning_ Aberrations_09_Dynamic.run
10.總結
在基于單掃描微鏡的激光掃描系統中（例如MEMS），模擬和研究鏡面像差。
仿真
通過(guò)使用光線(xiàn)追跡，驗證激光掃描系統
模擬
使用澤尼克標準界面來(lái)模擬復雜的靜態(tài)或動(dòng)態(tài)類(lèi)型的鏡面像差
分析
應用經(jīng)典場(chǎng)追跡引擎來(lái)計算場(chǎng)分布和評價(jià)光束形狀和參數
復雜的設置，如基于單微鏡的激光掃描儀可以通過(guò)使用VirtualLab Fusion來(lái)模擬。此外，幾乎表面失真的所有類(lèi)型都可以通過(guò)將澤尼克像差引入到掃描鏡來(lái)模擬。因此，可以通過(guò)掃描的位置研究光束形狀和質(zhì)量。
11. VirtualLab Fusion的其他特性
在本例中，您受益于以下選擇的特點(diǎn)：
參數運行
- 生成包含所有光學(xué)效果的掃描模式
- 不同參數的簡(jiǎn)單變化，例如模擬靜態(tài)和動(dòng)態(tài)像差
參數耦合
- 在屏幕上的理想位置，自動(dòng)調整掃描鏡的旋轉方向。
進(jìn)一步閱讀
1.進(jìn)一步閱讀
獲得基本視頻
- 光路圖的介紹
- 參數運行的介紹
關(guān)于這個(gè)案例的文檔
- LSC.0001:Performance Analysis of Laser Scanning System Using an Aspherical Lens
- LSC.0002:Performance Analysis of Laser Scanning System Using an F-Theta Objective
2. 進(jìn)一步閱讀：參考文獻
[1]MaradinLtd. website: www.maradin.co.il
[2]www.wikipedia.org/wiki/Microscanner
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