空間光変調器 SLM.0003 v1.2 SLMをベースとしたビーム整形 ......空間光変調器（SLM.0003 v1.2） SLMをベースとしたビーム整形光学系におけるレンズ収差の検証

空間光変調器（SLM.0003 v1.2）

SLMをベースとしたビーム整形光学系におけるレンズ収差の検証

アプリケーション事例の要約

設定の詳細

• 光源• ガウシアンレーザービーム

• 構成• 反射型SLMとその後に続く 2f 光学系• 多様なパフォーマンスや収差を備える様々なフーリエレンズ設計（球面、非球面）

• ディテクタ• 視覚の模倣• トップハット、変換効率、SN 比

• モデリング/設計• フィールドトレーシング：

• フーリエレンズのパフォーマンスに応じた SLM ビーム整形光学系の品質の評価

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システム図

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光源

現実的なフーリエレンズ

SLM – ミラー

スクリーン

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モデリングと設計の結果

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現実的なフーリエレンズに関する結果:

対称球面最適化された球面非球面

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対称球面最適化された

球面非球面

変換効率 56.8% 68.6% 90.8%

SN 比 4.25 dB 6.08 dB 26.9 dB


まとめ

SLMをベースとしたビーム整形光学系の光学性能の検証は使用されているフーリエ光学に基づく。

• 2f光学系を使用した理想的な光学系はレンズ収差を伴う現実のレンズへ置き換えられる。

• 様々な球面と非球面のパフォーマンスによって発生するトップハット品質への影響を解析する。

ビーム整形アプリケーションは、非球面レンズのような高いパフォーマンスで低い収差を持つ光学系を必要とする。



アプリケーション事例の詳細システムパラメータ

関連するアプリケーション例

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SLMピクセルへ位相値を送信

SLM.0001

任意の光パターンを生成するSLMモジュールを動かすために要求される位相値の設計とシミュレーション

SLM.0002

SLM ピクセル間のギャップの影響の実証

SLM.0003

光のパターンが作られる際のレンズ収差の影響を調査

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シミュレーションタスク

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光源

前回のシナリオでは、理想的なフーリエ光学系（2f 光学系）が活用されていた。本事例では、素子は様々な光学収差を持つ現実的なレンズに置き換えられる。スクリーン

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SLM –ピクセルアレイとミラー

実際のレンズ


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仕様：コリメートされたインプットレーザービーム

パラメータ値とユニット

波長 532 nm

ビーム半径（1/e2） 3.3 mm

ビーム強度の発散角 0.003° × 0.003°(full angle 1/e2)

M2 値 1

シングルモードレーザー

SLM.0001, SLM.0002 と同様

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仕様：SLM透過関数

希望のトップハットビーム形状を

生成する透過関数

(SLM.0001 で設計されたもの).

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理想的なレンズから現実的なレンズへ

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この理想的な 2f 光学系は現実的なフーリエレンズに置き換えられる。

その結果、使用されているレンズによって収差（例えば、球面収差）が生じる。

現実的なレンズを表現するには、いくつかのパラメータが必要になる。

現実的なレンズの有効焦点距離は 2f 光学系と同様なものが選択される。

表のパラメータは、以前使用した理想的な2f 光学系の仕様を示している。


有効焦点距離 50 mm

後側焦点距離 50 mm

前側焦点距離 50 mm

中心の厚み 0

エッジの厚み 0

front focal length

back focal length

effective focal length

center thickness

edge thickness

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アプリケーション事例の詳細

シミュレーションと結果

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VirtualLabでのSLMのシミュレーション

• 組み込みのコンポーネントにより、VirtualLabでは反射光学系（ミラー、現実的なレンズ等）を簡単に構築することができる。

• 実際のレンズ（両凸球面レンズ等）はフーリエレンズとして使用される。

• 回転面は計算を最適化するために追加される。

14 file: SLM.0003_SLM_Imaging_01_Spherical.lpd www.LightTrans.com


仕様：両凸球面レンズ

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• 初めに、等しい曲率半径を持つシンプルな両凸球面レンズを使用する。

• 対称形状のため、前方焦点距離と後側焦点距離は同じである。

• パラメータは 532nm の波長に対して設定される。

• レンズは N-BK7 で作製されている。

• 有効焦点距離は VirtualLab のLens Calculatorにて計算される。


有効焦点距離 50 mm

後側焦点距離 49.02 mm

前側焦点距離 49.02 mm

中心の厚み 2.96 mm

エッジの厚み 1 mm

back focal length

front focal length


center thickness

edge thickness

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結果：両凸球面レンズ

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• 結果のトップハットビームは、収差の発生により生じた干渉縞によって重ね合わされたものである。

• 低い変換効率（56.8%）と SN 比。

• 対称両凸レンズは適切な変換パフォーマンスを提示しない。

file used: SLM.0003_SLM_Imaging_01_Spherical.lpd www.LightTrans.com


最適化された球面レンズ

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• 次に、最適化された球面レンズを使用する。

• 波面収差を最小限にするため、曲率半径は最適化される。

• 最適化はそれぞれの曲率半径を割り出し、その結果、非対称なレンズ形状をもたらす。

• レンズは再び N-BK7 で構成される。

VirtualLab を使用したレンズ最適化についての詳しい情報は、BDS.0003を参照ください。

パラメータ値と単位

有効焦点距離 50.95 mm



中心の厚み 2.94 mm

エッジの厚み 1 mm

front focal length

back focal length


center thickness

edge thickness

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結果：最適化された球面レンズ

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• 再び、球面収差の発生による干渉縞が生じる。

• 平凡な変換効率（68.6%）と SN 比となる。

• 最適化された球面レンズも同様に適切な変換性能をもたない。

file used: SLM.0003_SLM_Imaging_02_Opt_Spherical.lpd www.LightTrans.com


仕様：非球面レンズ

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• 三番目に、Asphericon社の非球面レンズ（型番：A25-50LPX）がSLM系に統合される。

• 非球面レンズは同様に N-BK7 で構成される。

• このレンズは VirtualLab のレン

ズカタログからインポートされている。

パラメータ値と単位

有効焦点距離 49.20 mm



中心の厚み 6 mm

エッジの厚み 2.86 mm

front focal length

back focal length


center thickness

edge thickness

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結果：非球面レンズ

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• この結果では理想的なトップハット形状となる。

• さらに、素晴らしい変換効率（90.8%）と高い SN 比となる。

• この非球面レンズは SLM 関数を

ほとんど収差のないトップハットビームに変換する。

file used: SLM.0003_SLM_Imaging_03_Aspherical.lpd www.LightTrans.com


まとめ

使用されるフーリエ光学によって異なる、SLM をベースとしたビーム整形光学系の光学性能を検証する。

• 2f光学系（フレネル積分）を使用した理想光学系は現実的なレンズに置き換えられる。

• 様々な球面および非球面レンズの光学性能によって生じるトップハット品質への影響を解析する。

ビーム整形アプリケーションは、非球面レンズのような高いパフォーマンスで低い収差を持つ光学系を必要とする。



参考文献

参考文献

• Get Started Videos:

− Introduction to the Light Path Diagram

• Documents Correlated with This Application Examples

− SLM.0001: Design of SLM Phase Modulation

for Top Hat Generation

− SLM.0002: Simulation of Light Diffraction at Pixels of an SLM

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空間光変調器 SLM.0003 v1.2 SLMをベースとしたビーム整形 ......空間光変調器（SLM.0003 v1.2） SLMをベースとしたビーム整形光学系におけるレンズ収差の検証