基于準(zhǔn)直光束整形的自由曲面設(shè)計(jì)方法研究.pdf

1、隨著社會(huì)與科技的發(fā)展、能源消耗的加劇以及人們對(duì)照明的要求的日益提高，傳統(tǒng)光學(xué)器件已經(jīng)不再能滿(mǎn)足要求，人們希望光學(xué)儀器設(shè)備在能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的功能的同時(shí)更加便攜集成化和節(jié)能，自由曲面照明應(yīng)運(yùn)而生且不斷蓬勃發(fā)展。自由曲面由于具有極高的設(shè)計(jì)自由度和靈活的空間布局，可以有效控制光束分布并簡(jiǎn)化光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，成為近年來(lái)光學(xué)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。
　　光束由其強(qiáng)度分布特性和相位分布特性?xún)煞矫鏇Q定，光束整形是指對(duì)光束強(qiáng)度分布或相位分布進(jìn)行調(diào)控，或者對(duì)二

2、者同時(shí)調(diào)控，然而單個(gè)自由曲面只能實(shí)現(xiàn)對(duì)光源出射光束的方向或光強(qiáng)分布的調(diào)控，雙自由曲面由于具有更高的自由度，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)光束傳播方向和光強(qiáng)分布的調(diào)控。平行光照明是最為典型的理想照明模式之一，實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)光源擴(kuò)散角對(duì)實(shí)際照明的影響可以忽略時(shí)，可視為平行光照明。本文提出的單個(gè)自由曲面以及雙自由曲面的設(shè)計(jì)方法主要基于平行光整形，并對(duì)實(shí)際應(yīng)用中具有一定擴(kuò)散角度的準(zhǔn)直光做了詳細(xì)的分析。
　　論文首先針對(duì)準(zhǔn)直光束強(qiáng)度分布的整形，從Snell定

3、律和能量守恒定律出發(fā)，提出了柱坐標(biāo)系下的基于橢圓型Monge-Ampére(MA)方程的單個(gè)自由曲面設(shè)計(jì)方法，建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，給出了該模型的數(shù)值求解算法，通過(guò)實(shí)例驗(yàn)證了該方法的有效性。為解決柱坐標(biāo)系中存在的頂點(diǎn)約束問(wèn)題，提出了更具有普適性的直角坐標(biāo)系下的單個(gè)自由曲面設(shè)計(jì)方法，并將該方法應(yīng)用于光刻離軸照明中，將LMK運(yùn)輸問(wèn)題進(jìn)行類(lèi)比以尋找合適的初始結(jié)構(gòu)，采用MA方法設(shè)計(jì)了四種離軸照明模式，均能獲得很好的照明效果，分析表明該方法對(duì)準(zhǔn)直光

4、束擴(kuò)散角具有較大容差，設(shè)計(jì)獲得的連續(xù)的自由曲面使得曲面更便于加工。
　　為實(shí)現(xiàn)對(duì)準(zhǔn)直光束的強(qiáng)度分布和相位分布的同時(shí)調(diào)控，論文針對(duì)現(xiàn)有準(zhǔn)直光束整形方式與自由曲面設(shè)計(jì)方法的諸多不足，首先提出了一種柱坐標(biāo)系下的有效的基于Monge-Ampére方程的雙自由曲面設(shè)計(jì)方法，針對(duì)平行光束（激光束）整形建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，通過(guò)數(shù)值求解得到雙自由曲面透鏡前后表面兩個(gè)自由曲面的面型數(shù)據(jù)，獲得了光滑的雙自由曲面透鏡模型，使入射光束經(jīng)過(guò)該透鏡偏折后產(chǎn)

5、生預(yù)定的強(qiáng)度分布和相位分布。在此基礎(chǔ)上為解決困擾已久的頂點(diǎn)約束問(wèn)題，進(jìn)一步建立直角坐標(biāo)系下的雙自由曲面設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型，使該方法更為通用。另外論文還對(duì)準(zhǔn)直光束發(fā)散角進(jìn)行容差分析，以完善整個(gè)準(zhǔn)直光束雙自由曲面設(shè)計(jì)理論系統(tǒng)。
　　最后，論文采用該雙自由曲面設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)了用于激光光束整形的雙自由曲面透鏡，搭建了激光光束整形實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)其做了一系列模擬分析。該實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了雙自由曲面設(shè)計(jì)方法的有效性，同時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果中暴露的問(wèn)題表明該方法對(duì)自由曲面