空间光调制器像素处光衍射的仿真
?V7[,I1? 应用示例简述 rylllJz|L: MN1|k 1. 系统细节 zGz5|u 光源 YY]LK%- — 高斯光束 9k83wACry 组件 _$fxo D9 — 反射型空间光调制器组件及后续的2f系统 m6IZGl7% 探测器 FPcgQ
v;p — 视觉感知的仿真 KDn`XCnk, — 电磁场分布 7Y!^88,f. 建模/设计 ("{AY?{{ — 场追迹: b!`:|!7r' 一个SLM像素阵列处光传播的仿真,仿真中包括了SLM像素间无功能间隔引起的衍射效应。 xt3IR0 xJO[pT v 2. 系统说明 :X;8$.z _xmM~q[c7p }4bwLO 3. 模拟 & 设计结果 y"){? Gt 2rJ<> 4. 总结 3mBrnq]j> *,
{b]6v 考虑SLM像素间隔来研究空间光调制器的性能。 {8UBxFIM( z?yADYr9 第1步 !(o)*S 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。 KzM\+yC d<Z`)hI{K 第2步 D|+H!f{k 分析不同区域填充因子的对性能的影响。 @AyC0} 3Um\?fj>}( 产生的衍射效应对SLM的光学功能以及效率具有重大影响。 C6/,-?%) 2&=;$2?} 应用示例详细内容 : ;d&m "@Te!.~A. 系统参数 %*/?k~53 Q2Q`g`* O: 1. 该应用实例的内容 ls/:/x(5d 1nvs51?H yyiZV\ / 2. 设计&仿真任务 0|NbU p?dMa_g 由于制造和技术的原因,像素之间存在非功能间隔。这种典型的间隔会产生衍射效应,从而影响SLM的光学性能,并在接下来的工作中对其进行研究。 |5Z@7 "+7~C6[s 3. 参数:输入近乎平行的激光束 v3hNvcMpf ['sIR+c%'O -R:1-0I$ 4. 参数:SLM像素阵列 D6v0n6w (xxJ^u>QC o+q5:vJt 5. 参数:SLM像素阵列 hL8QA! OS \co: Oz n7C?\* 应用示例详细内容 d/* [t! Fl|u0SY 仿真&结果 Omh(UHZBB |7f}icXKur 1. VirtualLab能够模拟具有间隔的SLM qOk4qbl[ 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)。 rT"8e*LT 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。 @gTpiV2 R;,&CQUl 2. VirtualLab的SLM模块 43 |zjE /n:s9eq f\|33)k 为设置像素阵列,必须输入像素阵列尺寸和区域填充因子。 Gz6FwU8L 必须设置所设计的SLM透射函数。 ~_h4|vG YF."D%? 3. SLM的光学功能 i5-V$ Qh wd1*wt 在第一步,我们可以研究SLM后的电磁场。 46$u}"E 为此,将区域填充因子设置为60%。 2-{8+*_' 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。 =D3Y
q? D./e|i? (:@qn+
a ;ATk?O4T czedn_}%Q 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。 v[HxO?x^ ]C]tLJ!M b;S~`PL } |sP;Rpu 0w(<pNA 4. 对比:光栅的光学功能 _|~2i1Ms, 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。 m6g+ B > 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。 @.MM- 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)。 lOZ.{0{f, 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。 xb1)ZJH 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。 abI[J]T9G {!E<hQ2<$9
:Z`4ea"w NUm3E4 rWa7"<`p 5. 有间隔SLM的光学功能 }g(aZ 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。 %OW[rbE. \`4}h[ `W|2Xi=^5 oYOf<J GK\'m@k 下图显示了(Ex方向)光强分布,图中具有相同的振幅比率。 @NX^__sa -4X,x 7tfFRUw 6. 减少计算工作量 ~r@'k UXKK }S%a]
0MPsF{Xw[ 采样要求: r+
vtKb 至少1个点的间隔(每边)。 1w\Y._jK 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。 Wx:_F; )w/f 'fq 采样要求: yhUc]6`V.H 同样,至少1个点的间隔。 }eB\k,7L 假设指定90%区域填充因子,模块计算25×25点的等间距采样。 VX;u54hS 随填充因子的增大,采样迅速增加。 )vPce AV%Q5Mi} 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。 0aGfz=V& 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。 $aGK8%.O 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)。 |5g*pXu{ 通过优化,计算工作量减少了4.7倍。 Qaagi
` tD>m%1'& eIg2m <9u HqN|CwGgJ:
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。 *~fN^{B'! 7. 指定区域填充因子的仿真 Up/1c:<J 8N|*n"`} 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。 f1\x>W4z~\ 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。 SHwl^qVk[ 因此,可适当减小阵列尺寸到320×320像素,采样点数目为32320×32320。 '^P
Ud` 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)。 \ iP[iE= VgoQz]z 0.+iVOz+Y 8. 总结 P.[>x 考虑SLM像素间隔来研究空间光调制器的性能。 7<N X;Fx oWJ}]ip 第1步 w7%N=hL1 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。 Y!Z@1V` _X@:-_ 第2步 L8Z?B\ 分析不同区域填充因子的对性能的影响。 q
F}5mUcZ4 扩展阅读 _&B |