【讲座回播+Q&A精选】滨松SLM升级算法详解，满满干货-医疗器械网

【讲座回播+Q&A精选】滨松SLM升级算法详解，满满干货

来源：滨松光子学商贸（中国）有限公司分类：新品 2024-03-20 09:45:16 67阅读次数

基于大量滨松空间光调制器（LCOS-SLM）在工业场景中的应用经验积累，并通过对全球最前沿应用研究的钻研和消化，2024年，滨松工程师将SLM算法进行了全新升级！为物体表面（点阵、异形平顶光等）、物体内部（激光倒角、激光打孔、加工波导、三维存储等）的SLM实际工业应用问题，提出了实实在在的解决方案，帮助工业用户通过滨松SLM对光实现更灵活的调控，最终获得更高的激光加工质量。

3月12日，资深工程师王梓博士为大家带来了一场升级算法的全面介绍。相对于往年的算法解析，本次更加侧重从实际应用需求出发的算法讲解，并引入了AI、GPU等概念。

图1 3场SLM算法讲座的对比

往期算法讲座：

基于SLM应用的常见算法介绍

SLM应用及算法方案

您可以在讲座中看到：

■ SLM与相位计算

■ SLM算法介绍：表面加工

■ SLM算法介绍：内部加工

■ 如何通过算法实现又快又准的加工

■ 全新算法软件（开放售卖）

PS. 文末为大家梳理了精选Q&A及参考文献列表

3月20日-22日，SLM最新700W产品及算法方案将在慕尼黑上海光博会亮相（点击阅览展前预告），欢迎各位莅临现场参观交流（上海新国际博览中心 W4.4305）。

滨松SLM算法

如讲座中介绍，目前可提供免费及收费算法（详见下图），如您有更多算法需求，也请联系我们，共同探讨更多的开发可能！

图2 滨松SLM算法方案一览

针对免费部分，将免费提供MATLAB算法源代码，方便用户掌握如何自己编写一些常见的代码。而对于收费部分，主要将提供基于MATLAB APP编写的相位图生成小程序，用户可输入参数/载入目标图片来生成相位图，默认不提供算法源代码，如有源代码需求，请与销售人员联系沟通。

此外我们也提供一体化方案定制，以及多元件协同软件编写服务（基于相机的SLM反馈系统），欢迎垂询。

欲咨询算法方案，请长按识别二维码

Q&A精选

直播中，我们收到了许多用户提问，这里进行了精选和归纳，并给出了更详细的解答，希望能够为大家答疑解惑。

图3 Q&A精选问题，详情请见下文

1. SLM分多束，外围点阵的点位精度误差会变大，如何克服？

A：这个误差来自于镜头本身的像差畸变，推荐可以使用F-θ场镜，或者可以使用相机观测点阵的定位位置，看看是否可以通过微调目标图像中点的位置来实现外围点阵的位置细调。此外如果使用脉冲很短的激光器（比如几十飞秒的激光器），那么激光器本身波长的带宽也会很宽，导致外围点阵从圆形变为椭圆，这种解决方案一般是采用波长带宽窄一些的激光器，或者尽量避免生成距离中心太远的点。

2. 在应用端固定的情况下，直接定制化DOE相比SLM实用性是否更强？

A：加工过程中，如果加工条件（比如分光的点数，点的间距）不用变化+客户会批量采购设备，需要批量采购DOE，那么使用DOE的确相对成本较低。但如果加工工艺过程中，需要动态对光束的整形和分束进行调节，或对加工精度要求极高，需校正台间差/每天来自于激光器、系统光路的变化，那么使用SLM更能满足您的需求。

3. 4f系统第一个f可以去掉吗？因为第一个f传输本身就是平行光，将透镜f1紧挨着SLM，变成3f系统可行吗？

A：如下图所示，4f系统主要起的作用有三个：

1、将SLM成像到物镜/场景的后焦面，因为有些物镜的后焦面实际上是在物镜内部，所以SLM实际上是无法放置在物镜后焦面的，但使用4f系统就可以实现；

2、我们推荐入射到SLM上的光斑直径为8~10 mm，而有些物镜和场镜的入瞳小于这个尺寸，因而可以使用f2＜f1的4f系统，将光斑缩束，从而避免能量损失；

3、可以在下图中Image Plane的位置放置一些光阑或者光挡，配合叠加的闪耀光栅相位等，可以用来消除0级光的影响。

图4 基于SLM的激光加工系统的常见4F光路（此处光路激光器为示例，滨松SLM可搭配多种不同波段、不同类型激光器）

4. 物镜的后焦面在哪，如何模拟物镜后光场分布呢？

A：有的物镜厂家会在物镜的后焦面有具体标注。如果没有标注，一般可以认为是在物镜的螺纹口位置（具体位置可以参考网页：https://www.researchgate.net/post/Is_there_a_rule_of_thumb_to_determine_the_back_focal_plane_of_objective_lens）。

物镜后光场分布，如果是小NA的物镜，使用普通的傍轴近似，基于FFT变换即可；如果是大NA的物镜，可能就需使用debye 近似，可以参考的书籍有顾敏老师的《advanced optical imaging theory》和这个文章《Efficient full-path optical calculation of scalar and vector diffraction using the Bluestein method》。对于高NA物镜的快速的GSW计算，可参考吴东老师的《 Highly uniform parallel microfabrication using a large numerical aperture system》。

5. GS算法生成的全息图需要通过一个透镜在频谱面成像，通过4f系统过滤掉0级光后，在空域成像的全息图需要使用什么算法进行计算？

A：这里描述的应该是属于complex modulation了，可以参考这个文章中的公式。《Independent phase and amplitude control of a laser beam by use of a single-phase-only spatial light modulator》。

6. 如果需要贝塞尔光束的聚焦光斑，是直接利用SLM生成该聚焦光斑的相位吗？有必要用SLM先生成贝塞尔光束，然后再进行聚焦吗？

A：对于贝塞尔光束，是在SLM上载入了axicon beam的相位之后，直接在SLM之后的区域产生贝塞尔光束，然后再通过后面的一套4f系统，在样品位置生成缩小的贝塞尔光束。

图5 箭头位置是SLM之后产生贝塞尔光束的位置，然后经过L和MO组成的4F系统，成像在物体位置

7. 使用SLMControl3.exe程序来控制SLM，在计算相图时如果图片尺寸稍大一些会出现无响应，但是远没有达到计算机的性能限制，如何解决？利用SDK控制能改善吗？

A：因为我们的SDK在进行图像处理的时候，可能会存在一定的时间。图片越大，处理时间越长。因而可以考虑自己基于SDK编写程序，然后使用异步编程，将软件的UI和dll的计算过程分离开，这样就会很流畅，具体代码案例可以参考技术网站的文章（长按识别以下二维码即可进入）：

基于DVI连接的SLM二次开发

8. SLM可以生成三维点阵么？材料内每层球差不同，都可以通过球差校正消除吗？

A：可以的，具体参考文章《Parallel direct laser writing in three dimensions with spatially dependent aberration correction》中的公式即可。

9. 为什么SLM生成点阵时会有杂散衍射级光斑，如何消除？

A：对于分布范围在透镜焦距*波长/SLM像素尺寸之外的衍射光斑，是来自于高阶衍射。对于这个内部的衍射光斑，可以认为是因为相位数值化/像素化分布导致的结果。比如理想的闪耀光栅相位，应该是非常连续平滑的锯齿波，但由于SLM像素尺寸不能无限小，相位灰度是8bit，所以实际上相位是阶梯状的锯齿波。这导致存在一些这里提到的杂散衍射级光斑。解决方案是：

1、采用效率比较高的算法（比如GS，GSW算法，点阵的达曼光栅）；

2、降低相位图的复杂度（尽可能不生成分布范围太大的点阵，球差校正的时候，只校正球差部分，而不校正球差导致的焦点移动）。

图6 SLM衍射效率随着闪耀光栅周期的变化

10. 平顶光的公式

A：基于非球面相位的平顶光公式可以参考《 The generation of flat-top beams by complex amplitude modulation with a phase-only spatial light modulator》。

11. 纯相位的SLM可以加偏振片实现振幅调制吗？原理是？调制振幅时相位也会被同时调制吗？能不能控制只调制振幅呢？

A：纯相位的空间调制器也可以实现振幅调制。主要是基于SLM只对水平偏振的光引入相位调制，对于垂直偏振的光不引入相位调制。那么如入射一个45度偏振的光到SLM上，输出的光就会成为椭圆偏振光，椭圆的形状跟SLM上对水平偏振引入的相位大小有关。因而额外加入偏振片，就可以实现振幅调制。这种方法，调节振幅会同时调制相位。如果想独立调节振幅和相位，可以采用complex modulation的方法。具体内容可以参考此前讲座：LCOS-SLM应用与算法方案。

文献列表

1.A practical algorithm for the determination of phase from image and diffraction plane pictures (1972)

2.Parallel direct laser writing in three dimensions with spatially dependent aberration correction（2010）

3.Kinoform design with an optimal-rotation-angle method（1994）

4.An adaptive approach for uniform scanning in multifocal multiphoton microscopy with a spatial light modulator（2012）

5.Large-Scale Uniform Optical Focus Array Generation with a Phase Spatial Light Modulator (2019)

6.Speckle-reduced holographic beam shaping with modified Gerchberg–Saxton algorithm(2019)

7.Independent phase and amplitude control of a laser beam by use of a single-phase-only spatial light modulator (2004)

8.Dynamic laser beam shaping for material processing using hybrid holograms(2017)

9.Phase hologram optimization with bandwidth constraint strategy for speckle-free optical reconstruction (2021)

10.Weighted Constraint Iterative Algorithm for Phase Hologram Generation (2020)

11.Phase hologram optimization with Speckle-free compact holographic near-eye display using camera-in-the-loop optimization with phase constraint(2022)

12.Bessel and annular beams for materials processing (2012)

13.High-aspect-ratio, high-quality microdrilling by electron density control using a femtosecond laser Bessel beam (2016)

14.Single-Shot High Aspect Ratio Bulk Nanostructuring of Fused Silica Using Chirp-Controlled Ultrafast Laser Bessel Beams(2014)

15.Realising high aspect ratio 10 nm feature size in laser materials processing in air at 800 nm wavelength in the far-field by creating a high purity longitudinal light field at focus (2022)

16.Shaping the on-axis intensity profile of generalized Bessel beams by iterative optimization methods (2018)

17.Two-photon polymerization of microstructures by a non-diffraction multifoci pattern generated from a superposed Bessel beam.(2017)

18.Generating flat-top beams with extended depth of focus (2018)

19.Protecting the Edge: Ultrafast Laser Modified C-shaped Glass Edges (2021)

20.High-quality tailored-edge cleaving using aberration-corrected Bessel-like beams (2018)

21.Airy beams and accelerating waves: An overview of recent advances (2021)

22.Observation of Accelerating Airy Beams (2007)

23.Ballistic dynamics of Airy beams (2008)

24.Parallel direct laser writing in three dimensions with spatially dependent aberration correction(2010)

25.Beam shaping for ultrafast materials processing (2019)

26.A 3D nanoscale optical disk memory with petabit capacity (2024)

27.Predictive aberration correction for multilayer optical data storage (2006)

28.Multifocal array with controllable polarization in each focal spot (2015)

29.Rapid Two-Photon Polymerization of an Arbitrary 3D Microstructure with 3D Focal Field Engineering （2019）

30.Simultaneous compensation for aberration and axial elongation in three-dimensional laser nanofabrication by a high numerical-aperture objective (2013)

31.Optimized hologram generation method for real-time spontaneous manipulation (2023)

32.Real-time optical micro-manipulation using optimized holograms generated on the GPU (2010)

33.Optimized hologram generation method for real-time spontaneous manipulation (2023)

34.Gerchberg-Saxton algorithm for fast and efficient atom rearrangement in optical tweezer Traps(2019)

35.DeepCGH: 3D computer-generated holography using deep learning (2020)

36.Two-photon polymerization of femtosecond high-order Bessel beams with aberration correction(2023)

37.In situ wavefront correction and its application to micromanipulation (2010)

38.Spherical aberration correction suitable for a wavefront controller （2009）

39.Adaptive optics for direct laser writing with plasma emission aberration sensing （2010）

40.Automated aberration correction of arbitrary laser modes in high numerical aperture systems （2016）

41.Ultrafast laser writing of homogeneous longitudinal waveguides in glasses (2008)

42.Three_dimensional_laser_microfabrication_in_diamond using dual adaptive optics system (2011)

43.Efficient full-path optical calculation of scalar and vector diffraction using the Bluestein method (2020)

编辑：又又&▼

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