如何模擬一個掃描鏡


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總結:
此篇文章將解釋:
● 如何透過coordinate breaks設定掃描鏡。
● 如何使用Multi-Configuration Editor來設定多個掃描角度。
● 如何設定一個振鏡 (Galvanometer) 掃描鏡,這種振鏡以頂點為中心旋轉。
● 如何設定一個多邊形掃描鏡 (Polygon Scanning Mirror),多邊形掃描鏡的旋轉中心不在鏡面上。

此篇文章夾帶一個ZIP檔,裡面包含Zemax OpticStudio範本檔,可在本文下載。

原文連結:How to Model a Scanning Mirror
原文作者:Mark Nicholson
原文發文時間:12/15/ 2015
範本檔:夾帶檔


設定一個掃描鏡
在此篇文章我們將討論如何設定一個掃描鏡,像是以90度為中心,+5°掃描的鏡面。你可以從此文章夾帶檔中下載 “starting point.zmx” 檔案。此檔顯示一個簡易的對焦透鏡,含有一個虛擬面(橘色標示),這個虛擬面將是掃描鏡所在位置:


以下是此鏡頭的設定:
● 玻璃材質: N-BK7, 5 mm 厚度
● 在後表面的曲率半徑上有一個 F/5 的 Solve
● 前半徑與後焦距距離已經以最佳RMS spot尺寸優化過
現在我們要設定surface 2為一個鏡面,使其相對於surface 1旋轉90度,點擊LDE工具列上的Add Fold Mirror。如下所示:


輸入-90並點擊 “OK”:
http://forum.zemax.com/Uploads/Images/ad45c036-80b9-4035-bf3d-7eb.jpeg





藉由使用此工具,Zemax OpticStudio可以:
● 將選的表面設置為MIRROR
● 反轉在鏡面後的所有表面厚度的符號,因為光線現在以反方向傳播
● 增加一個x傾角45度的coordinate break在鏡面前
● 增加一個x傾角45度的coordinate break在鏡面後
記住這些coordinate break表面沒有屈光力 (Power) 並且不會彎曲光線:它們僅是相對於前一個表面,用偏心與傾斜重新定義的一個新座標系統。這非常有用,它允許我們把面的光學特性與幾何座標的性質分開。
現在,我們要讓這個鏡面旋轉掃描,我們需要傾斜鏡面。比方說我們想要以45°為中心傾斜鏡面±5°。如果只改變coordinate break 面的X-Tilt參數是不正確的,比如設為-50度的話,同時也會位移鏡頭位置及成像平面。




如同上面看到的,改變掃描鏡角度的結果僅是得到一個負100°的旋轉量:這不是我們需要的90°±5°的掃描角度。繼續下一步驟之前,讓我們先把以X軸為中心的旋轉量設回-45°。
為了把此鏡面設為掃描鏡,我們必須利用Tilt/Decenter Elements工具來傾斜它。此工具可以在LDE工具列選單上找到。此鏡面編號為3,所以輸入:
http://forum.zemax.com/Uploads/Images/e60d853e-1cac-48b7-9026-728.jpeg






請注意此工具會再插入兩個coordinate break表面,所以現在此鏡面已經相對於其標值45°位置傾斜5°。掃描角度可藉由表面3的Tilt About X參數來設定成任何值。這兩個工具 (Tilt/Decenter及Add Fold Mirror) 自動的加入了pickup求解,這些求解可以保證在面1與7之間的總傾斜必定永遠為負90°。
所以正確設定一個掃描鏡面的方法是使用兩個Coordinate Break表面來設定。第一,外側CB,簡單的點選 “Add Fold Mirror” 來設定正常旋轉模式。第二,內側CB設定,藉由點選“Tilt/Decenter Elements” 工具來定義以此點為中心的擾動。

使用多重組態編輯器 (Multi-Configuration Editor)
目前為止,我們已建立一個幾何外型,擁有一個基本鏡面座標設置以及傾斜鏡面的能力。藉由單純的鍵入數據到surface 3的x-tilt欄位或是使用Optimize > Manual Adjustment > Slider,我們可以產生並檢視任何我們想要的掃描角度。但我們的目的是優化和公差分析,較好的做法是定義多重組態來模擬這些連續動作。多重組態的技巧讓我們可以定義數個掃描角度,以代表模擬任何掃描角度。
比如說我們想要模擬標稱45°、掃描角度±5°的系統。點擊Setup > Configuration > Multi Configuration Editor並在Multi-Configuration Editor裡雙點擊MCE工具列上的Insert Configuration,這樣你共會有三個組態。開啟編輯器的Operands Properties設定框,我們要告訴Zemax OpticStudio把surface 3的Parameter 3設為一個組態,因此編輯如下:
http://forum.zemax.com/Uploads/Images/929d10fc-155b-4a2d-ae0a-2f4.jpeg

http://forum.zemax.com/Uploads/Images/0358d1fa-be65-4679-9519-403.jpeg

透過這些設定,只有在multi-configuration editor裡出現的參數在組態間會不同。所有的其他參數都會保持一致,除非這些參數使用Pick-up求解,並參考到那些被multi-configuration editor控制的參數。
設定3D Layout如下:




現在你可以看到所有三個組態疊加的結果,可以看見鏡面現在以前頂點為中心旋轉掃描,如同振鏡結構 (Galvanometer)。
組態也可藉由手動按下鍵盤上Ctrl-A來改變。請留意當你這樣做的時候,鏡面的半直徑、鏡頭和成像表面都會因組態改變而改變。這是因為無論被照 (光線經過) 區域是什麼,半直徑都被計算成被照區域的半徑加上2mm 。Zemax OpticStudio 也可以改成自動以所有組態中所需之最大值,來取代其他組態中同表面的半直徑。點擊表面的半直徑並選擇 “Maximum” 求解即可完成這個動作。
此鏡頭原本只對軸上效能優化,現在此鏡頭同時也使用了±5°的視場點,因此需要重新優化。讓我們開啟merit function editor並點選工具Optimize > Automatic Optimization > Optimization Wizard (若您使用Zemax版本,選擇Tools > Default Merit Function Optimization Wizard),把系統設置如下:




重新優化鏡頭,Zemax OpticStudio快速地優化出一個新鏡頭來最小化掃描系統內的Spot Size。此檔案被儲存在附件壓縮檔,檔名為galvanometer.zmx。



以一個離心的點為中心旋轉掃描
前例清楚顯示,鏡面以頂點為中心傾斜,假如我們模擬一個振鏡或是類似的鏡面,這樣的傾斜設定是沒問題的。但,假如鏡面是多邊形掃描器 (Polygon Scanner) 的一部分,舉例來說,鏡面的旋轉中心在頂點後的一些距離。那我們要如何模擬?
我們需要把鏡面的旋轉中心點置放到多邊形掃描器 (Polygon Scanner) 的中央。比方說從鏡面旋轉中心到多邊形面的距離是50 mm,則可以依照下列步驟來改變galvanometer檔案::
http://forum.zemax.com/Uploads/Images/2ab8bf4f-c63f-42b5-b41f-3ac.jpeg

這會簡單的把旋轉中心偏移約50 mm。接著請開啟鏡面的Properties設定框,在其Draw標籤中設定讓鏡面基板距離鏡面50 mm遠:


可以清楚看到該掃描鏡以偏移的點為中心旋轉:




此檔Polygon.zmx已存在附件檔案中。

總結與參考
為模擬一個掃描鏡面:
● 使用Add Fold Mirror工具把鏡面在以標稱的90折射來設定
● 使用Tilt/Decenter Elements工具來傾斜鏡面
● 把傾斜設為多重結構 (multi-configuration) 參數
● 定義需要的組態數量來取樣鏡面的連續動作
● 或者,使用Optimize > Manual Adjustment> Slider模擬連續動作
● 假如傾斜的旋轉中心是參考到一個偏移的點,使用coordinate break的Thickness參數來偏移此點。

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