使用非球面透鏡對激光掃描系統進行性能分析

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

- 場曲和畸變

- 光束強度剖面

- 焦點區域探測器

- 光束參數

模擬/設計

- 光線追跡：分析場曲和畸變，場追跡引擎的探測器的定位

- 場追跡：考慮衍射效應，進行更精確的光束尺寸和剖面的研究

 

系統說明

 

 

 

激光掃描系統的性能評估

 

一個激光掃描系統的掃描光學部分包含了一個掃描儀單元和一個非球面透鏡，在一維掃描過程中（沿入射角Theta），通過分析光束的場曲和畸變來評估其性能。

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

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

- 使用焦點區域探測器計算焦點區域中的場

參數耦合

- 調整與理想輸入掃描光學掃描角θ鏡子的方向有關

參數運行

- 生成場曲和畸變圖

 

總結

VirtualLab可以

模擬使用雙軸掃描鏡和特定的光學掃描的激光掃描系統

分析目標平面上的光束偏轉

- 通過光線追跡來計算場曲和畸變

- 通過幾何場追跡來計算光束剖面

- 場追跡可以更準確地分析光束焦點

 

 

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。

在這個例子中，分析了作為掃描透鏡的非球面透鏡的場曲和畸變，以來模擬一個掃描過程。

在LSC.0002中，演示了通過使用F-Theta物鏡來提高性能。

 

 

模擬任務

 

為了評估激光掃描系統的性能，在一維掃描過程中沿著入射角θ探測場曲和畸變。

 

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

 

 

原始透鏡（目錄和網址）

 

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，使用基礎方位角進行旋轉，與光軸之間的角度為45°（見左圖）。

掃描鏡Y的調整是相當于繞x軸的旋轉（見右圖）。

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

兩個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光線追跡分析

 

不同Theta角的光線追跡說明

 

在光學掃描系統前定義輸入掃描角Theta。

 

通過參數耦合進行系統調整

 

 對于一維掃描過程，使用參數耦合工具。

 

場曲和畸變探測器
 

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

因此，必須通過參數耦合工具給探測器提供θ的輸入角。

 

執行掃描過程

對于掃描過程角度θ，通過參數耦合工具來設置掃描鏡，沿著y軸從1°到25°掃描，步長為1°。

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

從參數運行文檔，可以繪制場曲圖和畸變圖。

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

 

 

場曲
 

通過光線束的焦點到探測器的間隔∆z，沿z軸來測量場曲 。

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

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

 

場曲率
 

下圖在顯示了子午面和弧矢面的場曲。

從結果上看，沿z軸測量場曲率，弧矢場曲要小于子午場曲。

 

弧矢和子午面焦點的z偏離的多圖視圖

 

畸變

畸變定義為光線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心或光束主光線的位置

使用掃描光學系統的有效焦距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性測量，因此，畸變是探測器平面上光束位置像差的一個影響條件。

線性依賴關系可能是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光斑，使用幾何場追跡（Geometric Field Tracing ）和焦區域探測器（Focal Region Detector）分析光束剖面。

因此，與光線追跡的結果相比，由于場追跡可以直接評價光束剖面，包括能量分布和光束發散角。，因此產生的焦點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，與軸上場相比，離軸場中心方向上有所不同。

因此，如果探測器（1）正交于光軸的話，線性相位的疊加依賴于中心方向。 

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

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行橫向偏移以及傾斜來減小采樣數以分析光束剖面。

通過橢圓光束剖面（下左圖）和像散波前（下右圖）可知，產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

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

在焦區域，使用焦區域探測器來計算焦區域中的場

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透鏡模擬激光掃描系統

在目標平面上，分析偏轉光束

通過光線追跡計算場曲和扭曲

通過幾何場追跡計算光束剖面

場追跡可以更加準確地分析焦點光束

 

 

進一步閱讀

 

進一步閱讀：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

 

進一步閱讀

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

入門視頻：

- 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-通過幾何場追跡+進行分析