Aufbau eines Strahlhomogenisators mit einem Mikrolinsen-Array

Introduction

Lenslet-Arrays werden in einem großen Spektrum optischer Systeme implementiert. Von CCD-Arrays, um Licht von unempfindlichen Sensorbereichen zu sammeln und zu fokussieren, bis hin zu digitalen Projektoren, die Licht auf die aktiven Bereiche des LCD fokussieren, um das Bild zu erzeugen.

FRED ist in der Lage, diese Lenslet-Arrays effizient zu erstellen und Raytraces genau durchzuführen, um Bestrahlungsstärke und Beleuchtungsverteilungen zu berechnen. Für diesen Artikel konstruieren wir ein optisches System bestehend aus zwei 10 mm Apertur, 33 x 33 Lenslet-Arrays und einer Abbildungslinse zur Homogenisierung einer monochromatischen Eingangsquelle mit einem Gaußschen Profil.

Strukturen in FRED anordnen

FRED kann mithilfe der integrierten Array-Funktion ein Array von Quellen und Strukturen festlegen; Für ein einfaches Beispiel wird ein Gitter aus kreisförmigen Öffnungen konstruiert, indem zuerst eine einfache ebene Fläche mit einem kreisförmigen Loch erzeugt wird.

Dann wird diese Struktur in x und y mit einem Abstand von 2 x 2 mm angeordnet.

Wir definieren unseren Zellenabstand in X- und Y-Richtung als 2 und unsere Min/Max-Zellenindizes in X- und Y-Richtung als 3 und 2. Dies ergibt die folgende Geometrie.

Beam Homogenisator Konstruktion

In diesem Beispiel besteht die Konstruktion des Mikrolinsen-Arrays aus einer Eingangsebene, der zu arrangierenden Basisfläche und einer äußeren Randfläche, die das Volumen des Linsenarrays verschließt. Diese Komponenten sind unten dargestellt:

Wir beginnen damit, eine Eingabeebene zu erstellen, deren Halbwertsbreiten den angeordneten Lenslets entsprechen. In diesem Beispiel beträgt der Lenslet-Abstand 0,3 mm, die Anzahl der Lenslets beträgt 33 x 33, so dass die Halbwertsbreite der Ebene 16*0,3+0,15 = 4,95 mm beträgt. Die Elementprimitive-Konstruktion von FRED wird verwendet, um die Ebene zu definieren (Menü > Erstellen > Neues Elementprimitive > Ebene).

Dann erzeugen wir eine neue Fläche mit R = -2,2 mit Kegelschnitt = -1, eingestellt auf den halben Lenslet-Pitch (0,15 mm). Dies wird angeordnet, um die Austrittsfläche des Lenslets zu bilden.

Nachdem wir unsere neue Oberfläche definiert haben, können wir mit dem Zusammenbau des Arrays beginnen. In diesem Beispiel ist das Array in den X- und Y-Richtungen mit einem Abstand gleich dem Lenslet-Abstand in jeder Richtung (0.3 mm) definiert. Für unser 33 x 33 Lenslet-Array reichen die minimalen und maximalen Zellenwerte von -16 bis +16 in jede Richtung. Geben Sie uns unser Linsenarray:

Um das Lenslet zu vervollständigen, fügen wir der Unterbaugruppe ein weiteres Element hinzu (Menü > Elementgrundkörper erstellen > N-seitig extrudierte Hohlfläche), um das Array zu umgeben. Wir definieren unser Element als 4-seitig mit einer Halböffnung von 4.95 mm und einer Länge von 1.2 mm. Schließlich verwenden wir als Material „Fused_Silica“ und erhalten folgende Geometrie:

Jedes Quadrat auf unserer Ebene repräsentiert eine einzelne Mikrolinse. Für unseren Strahlhomogenisator benötigen wir zwei Lenslet-Arrays. In diesem Fall sind unsere beiden Lenslets identisch, daher können wir einfach unsere Lenslet-Unterbaugruppe in den Geometrieordner kopieren und einfügen und eine Verschiebung von 5.21 mm in Z-Richtung in Bezug auf die erste Lenslet anwenden.

Als nächstes montieren wir die Kondensorlinse mit Frontradius = 56.183 mm, Rückradius = -551.92 mm, Dicke = 1 mm, X- und Y-Halböffnungen = 7.5 mm. Wir weisen dem Material “Fused_Silica“ zu und wenden eine Verschiebung von 0.5 mm in Z-Richtung gegenüber dem zweiten Lenslet an.

Wir beenden unser optisches System, indem wir unsere Analyseebene auf einen Abstand von 99.319 mm vom Kondensor einstellen und unsere optische Quelle erstellen (benutzerdefinierte optische Quelle mit Gauss-Profil, x- und y-Winkel-Semi-Ape von 0.6 mit az-Verschiebung -0.1 mm vom Ursprung).

Analyse

Das Strahlungsprofil der Quelle ist ein Gaußsches Profil mit einer Halbwertsbreite von 5 mm, wie unten gezeigt (erzeugt mit 100 Millionen Strahlen).

Die endgültige Verteilung, nachdem der Strahl den Homogenisator in der Beleuchtungsebene (100 mm Abstand) passiert hat, ist unten gezeigt. Wie aus der endgültigen Verteilung in der Beleuchtungsebene hervorgeht, haben wir unseren Strahl erfolgreich homogenisiert.

Kontaktieren Sie uns, um eine Demo von FRED anzufordern oder Ihre Anwendungsanforderungen detaillierter zu besprechen.