激光掃描系統(tǒng)（LSC.0001 v1.0）
使用非球面透鏡對(duì)激光掃描系統(tǒng)進(jìn)行性能分析
應(yīng)用案例概述
系統(tǒng)細(xì)節(jié)
光源
- 綠光二極管
元件
- 雙軸振鏡掃描儀
- 非球面透鏡
探測(cè)器
- 場(chǎng)曲和畸變
- 光束強(qiáng)度剖面
- 焦點(diǎn)區(qū)域探測(cè)器
- 光束參數(shù)
模擬/設(shè)計(jì)
- 光線追跡：分析場(chǎng)曲和畸變，場(chǎng)追跡引擎的探測(cè)器的定位
- 場(chǎng)追跡：考慮衍射效應(yīng)，進(jìn)行更精確的光束尺寸和剖面的研究
系統(tǒng)說明
激光掃描系統(tǒng)的性能評(píng)估
一個(gè)激光掃描系統(tǒng)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，在一維掃描過程中（沿入射角Theta），通過分析光束的場(chǎng)曲和畸變來評(píng)估其性能。
此外，計(jì)算了不同掃描位置處的光束尺寸和輪廓。
模擬設(shè)計(jì)結(jié)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(cè)器
- 使用場(chǎng)曲和畸變探測(cè)器（Field Curvature and Distortion Detector）中的找到焦點(diǎn)位置工具（Find Focus Position Tool）來測(cè)量焦點(diǎn)和光束位置
- 使用焦點(diǎn)區(qū)域探測(cè)器計(jì)算焦點(diǎn)區(qū)域中的場(chǎng)
參數(shù)耦合
- 調(diào)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(shù)運(yùn)行
- 生成場(chǎng)曲和畸變圖
總結(jié)
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(tǒng)
分析目標(biāo)平面上的光束偏轉(zhuǎn)
- 通過光線追跡來計(jì)算場(chǎng)曲和畸變
- 通過幾何場(chǎng)追跡來計(jì)算光束剖面
- 場(chǎng)追跡可以更準(zhǔn)確地分析光束焦點(diǎn)
應(yīng)用案例詳述
系統(tǒng)參數(shù)
應(yīng)用案例內(nèi)容
LSC.0001和LSC.0002為激光掃描系統(tǒng)。
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，以來模擬一個(gè)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(wù)
為了評(píng)估激光掃描系統(tǒng)的性能，在一維掃描過程中沿著入射角θ探測(cè)場(chǎng)曲和畸變。
規(guī)格：輸入激光光束
激光組件中的單模二極管激光器
規(guī)格：雙軸振鏡掃描儀
規(guī)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(tǒng)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(yīng)用案例詳情
模擬和結(jié)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(biāo)光束偏轉(zhuǎn)到x方向，而光束沿第二個(gè)鏡子的旋轉(zhuǎn)軸偏轉(zhuǎn)。
第二反射鏡將目標(biāo)光束偏轉(zhuǎn)到y(tǒng)方向。
設(shè)置掃描鏡
掃描鏡X沿y軸旋轉(zhuǎn)，使用基礎(chǔ)方位角進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，與光軸之間的角度為45°（見左圖）。
掃描鏡Y的調(diào)整是相當(dāng)于繞x軸的旋轉(zhuǎn)（見右圖）。
請(qǐng)注意，在VirtualLab中坐標(biāo)系統(tǒng)是根據(jù)反射定律來旋轉(zhuǎn)的，光軸是沿方向z ⃑來定義的。
兩個(gè)鏡子的基礎(chǔ)方位角定義了激光掃描儀的中心位置。
使用鏡子的絕對(duì)方位角，相對(duì)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(xué)掃描系統(tǒng)前定義輸入掃描角Theta。
通過參數(shù)耦合進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)整
對(duì)于一維掃描過程，使用參數(shù)耦合工具。
掃描鏡Y的絕對(duì)方位角是自動(dòng)設(shè)置為期望輸入掃描角。
1. 用戶輸入掃描透鏡期望的輸入掃描角度
2. 系統(tǒng)參數(shù)
3. 輸入變量
4. 源代碼編輯器（腳本定義）
離軸25º的3D光線追跡分析
場(chǎng)曲和畸變探測(cè)器
通過尋找焦點(diǎn)位置工具（Find Focus Position Tool），場(chǎng)曲和畸變探測(cè)器可以測(cè)量3D焦點(diǎn)位置，且光束位置依賴于在掃描光學(xué)之前的球形輸入角θ的在屏幕上的測(cè)量光束位置。
因此，必須通過參數(shù)耦合工具給探測(cè)器提供θ的輸入角。
執(zhí)行掃描過程
對(duì)于掃描過程角度θ，通過參數(shù)耦合工具來設(shè)置掃描鏡，沿著y軸從1°到25°掃描，步長(zhǎng)為1°。
只有沿著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(shù)運(yùn)行文檔，可以繪制場(chǎng)曲圖和畸變圖。
使用一維數(shù)值數(shù)據(jù)陣列多重圖表模式將子午(1)和弧矢(2)場(chǎng)曲和畸變數(shù)據(jù)結(jié)合在一起。
場(chǎng)曲
通過光線束的焦點(diǎn)到探測(cè)器的間隔∆z，沿z軸來測(cè)量場(chǎng)曲 。
因此，在兩個(gè)分離的平面，焦點(diǎn)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(gè)成像光學(xué)系統(tǒng)所示，類似于激光系統(tǒng)。
對(duì)于一個(gè)平面成像面，這是測(cè)量離軸光束的離焦的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。完美的圖像應(yīng)位于曲面而不是一個(gè)平面。對(duì)于一個(gè)激光掃描系統(tǒng)，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(jié)果上看，沿z軸測(cè)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
畸變定義為光線束在探測(cè)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(duì)于F-Tan（θ）畸變
yRef =EEFL∙Θ 對(duì)于F-Theta畸變
yBundle 探測(cè)器平面上光束質(zhì)心或光束主光線的位置
使用掃描光學(xué)系統(tǒng)的有效焦距EFL可以計(jì)算探測(cè)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(zhuǎn)光束的理想探測(cè)器位置的線性測(cè)量，因此，畸變是探測(cè)器平面上光束位置像差的一個(gè)影響條件。
線性依賴關(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(zhǔn)確的評(píng)估焦點(diǎn)光斑，使用幾何場(chǎng)追跡（Geometric Field Tracing ）和焦區(qū)域探測(cè)器（Focal Region Detector）分析光束剖面。
因此，與光線追跡的結(jié)果相比，由于場(chǎng)追跡可以直接評(píng)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(cè)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(cè)器(2)以避免線性相位，根據(jù)場(chǎng)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(cè)器平面將探測(cè)器進(jìn)行橫向偏移以及傾斜來減小采樣數(shù)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(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(cè)器種類
在場(chǎng)曲和畸變探測(cè)器（Field Curvature and Distortion Detector）中使用尋找焦點(diǎn)位置工具（Find Focus Position Tool）來測(cè)量焦點(diǎn)和光束位置（Find Focus Position Tool）
在焦區(qū)域，使用焦區(qū)域探測(cè)器來計(jì)算焦區(qū)域中的場(chǎng)
參數(shù)耦合
調(diào)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(shù)運(yùn)行
生成場(chǎng)曲圖和畸變圖
總結(jié)
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(tǒng)
在目標(biāo)平面上，分析偏轉(zhuǎn)光束
通過光線追跡計(jì)算場(chǎng)曲和扭曲
通過幾何場(chǎng)追跡計(jì)算光束剖面
場(chǎng)追跡可以更加準(zhǔn)確地分析焦點(diǎn)光束
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進(jìn)一步閱讀：參考文獻(xiàn)
[1] Von Scanlab7 - Eigenes Werk, CC BY-SA 3.0, Werk,CC-BY-SA3.0,https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=16724483
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以下文檔給出了一個(gè)詳細(xì)的描述，如何在VirtualLab中設(shè)置和優(yōu)化激光系統(tǒng)：
入門視頻：
- 介紹光路圖
- 介紹參數(shù)運(yùn)行
使用案例：
- 元件的定位和取向
- 光線追跡引擎的設(shè)置和結(jié)果演示
- 使用參數(shù)運(yùn)行文檔
- 一維數(shù)值數(shù)據(jù)陣列多重圖像模式
- 大孔徑透鏡系統(tǒng)-通過幾何場(chǎng)追跡+進(jìn)行分析
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