基于準直光束整形的自由曲面設計方法研究.pdf

1、隨著社會與科技的發(fā)展、能源消耗的加劇以及人們對照明的要求的日益提高，傳統(tǒng)光學器件已經不再能滿足要求，人們希望光學儀器設備在能夠實現(xiàn)復雜的功能的同時更加便攜集成化和節(jié)能，自由曲面照明應運而生且不斷蓬勃發(fā)展。自由曲面由于具有極高的設計自由度和靈活的空間布局，可以有效控制光束分布并簡化光學系統(tǒng)結構，成為近年來光學設計領域的研究熱點。
　　光束由其強度分布特性和相位分布特性兩方面決定，光束整形是指對光束強度分布或相位分布進行調控，或者對二

2、者同時調控，然而單個自由曲面只能實現(xiàn)對光源出射光束的方向或光強分布的調控，雙自由曲面由于具有更高的自由度，可同時實現(xiàn)對光束傳播方向和光強分布的調控。平行光照明是最為典型的理想照明模式之一，實際應用中，當光源擴散角對實際照明的影響可以忽略時，可視為平行光照明。本文提出的單個自由曲面以及雙自由曲面的設計方法主要基于平行光整形，并對實際應用中具有一定擴散角度的準直光做了詳細的分析。
　　論文首先針對準直光束強度分布的整形，從Snell定

3、律和能量守恒定律出發(fā)，提出了柱坐標系下的基于橢圓型Monge-Ampére(MA)方程的單個自由曲面設計方法，建立相應的數學模型，給出了該模型的數值求解算法，通過實例驗證了該方法的有效性。為解決柱坐標系中存在的頂點約束問題，提出了更具有普適性的直角坐標系下的單個自由曲面設計方法，并將該方法應用于光刻離軸照明中，將LMK運輸問題進行類比以尋找合適的初始結構，采用MA方法設計了四種離軸照明模式，均能獲得很好的照明效果，分析表明該方法對準直光

4、束擴散角具有較大容差，設計獲得的連續(xù)的自由曲面使得曲面更便于加工。
　　為實現(xiàn)對準直光束的強度分布和相位分布的同時調控，論文針對現(xiàn)有準直光束整形方式與自由曲面設計方法的諸多不足，首先提出了一種柱坐標系下的有效的基于Monge-Ampére方程的雙自由曲面設計方法，針對平行光束（激光束）整形建立了相應的數學模型，通過數值求解得到雙自由曲面透鏡前后表面兩個自由曲面的面型數據，獲得了光滑的雙自由曲面透鏡模型，使入射光束經過該透鏡偏折后產

5、生預定的強度分布和相位分布。在此基礎上為解決困擾已久的頂點約束問題，進一步建立直角坐標系下的雙自由曲面設計數學模型，使該方法更為通用。另外論文還對準直光束發(fā)散角進行容差分析，以完善整個準直光束雙自由曲面設計理論系統(tǒng)。
　　最后，論文采用該雙自由曲面設計方法設計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驗系統(tǒng)，對其做了一系列模擬分析。該實驗驗證了雙自由曲面設計方法的有效性，同時，實驗結果中暴露的問題表明該方法對自由曲面