Construire un homogénéisateur de faisceau à l'aide d'un réseau de microlentilles

Introduction

Les réseaux de lentilles sont mis en œuvre dans un large éventail de systèmes optiques. Des matrices CCD, pour collecter et focaliser la lumière loin des zones de capteur non sensibles, aux projecteurs numériques concentrant la lumière sur les zones actives de l'écran LCD pour générer l'image.

FRED est capable de créer efficacement ces matrices de lentilles et d'effectuer avec précision des tracés de rayons pour calculer les distributions d'irradiance et d'éclairage. Pour cet article, nous allons construire un système optique composé de deux ouvertures de 10 mm, de matrices de lentilles de 33 x 33 et d'une lentille d'imagerie pour homogénéiser une source d'entrée monochromatique avec un profil gaussien.

Arrangement des structures dans FRED

FRED est capable de définir un tableau de sources et de structures à l'aide de la fonction Array intégrée ; Pour un exemple simple, une grille d'ouvertures circulaires est construite en créant d'abord une surface plane simple avec un trou circulaire.

Ensuite, cette structure est disposée en x et y avec un espacement de 2 x 2 mm.

Nous définissons notre espacement des cellules dans les directions X et Y à 2 et nos indices de cellules min/max dans les directions X et Y à 3 et 2. Cela donne la géométrie suivante.

Construction d'homogénéisateur de faisceau

Dans cet exemple, la construction du réseau de microlentilles consiste en un plan d'entrée, la surface de base qui sera disposée et une surface de bord externe qui ferme le volume du réseau de lentilles. Ces composants sont indiqués ci-dessous:

Nous commençons par créer un plan d'entrée dont les demi-largeurs correspondent aux lentilles en réseau. Dans cet exemple, le pas des lentilles est de 0,3 mm, le nombre de lentilles est de 33 x 33, et donc la demi-largeur du plan est de 16*0,3+0,15 = 4,95 mm. La construction primitive d'élément de FRED est utilisée pour définir le plan (Menu > Créer > Nouvel élément primitif > Plan).

Ensuite, nous créons une nouvelle surface avec R = -2,2 avec conique = -1, définie sur la moitié du pas de la lentille (0,15 mm). Celui-ci sera disposé pour former la surface de sortie de la petite lentille.

Après avoir défini notre nouvelle surface, nous pouvons commencer à assembler le réseau. Dans cet exemple, le réseau est défini dans les directions X et Y avec un espacement égal au pas des lentilles dans chaque direction (0.3 mm). Pour notre matrice de lentilles 33 x 33, les valeurs de cellules minimales et maximales vont de -16 à +16 dans chaque direction. Nous donnant notre gamme de lentilles :

Pour compléter le lenslet, nous ajoutons un autre élément au sous-assemblage (Menu > Créer un élément primitif > Surface creuse extrudée à N côtés) pour entourer le réseau. Nous définissons notre élément comme étant à 4 côtés avec une demi-ouverture de 4.95 mm et une longueur de 1.2 mm. Enfin, nous appliquons "Fused_Silica" comme matériau et nous nous retrouvons avec la géométrie suivante:

Chaque carré sur notre plan représente une microlentille individuelle. Pour notre homogénéisateur de faisceau, nous avons besoin de deux réseaux de lentilles. Dans ce cas, nos deux lenslets sont identiques, nous pouvons donc simplement copier et coller notre sous-ensemble de lenslet dans le dossier de géométrie et appliquer un décalage de 5,21 mm dans la direction Z par rapport au premier lenslet.

Ensuite, nous assemblons la lentille du condenseur avec un rayon avant = 56.183 mm, un rayon arrière = -551.92 mm, une épaisseur = 1 mm, des demi-ouvertures X et Y = 7.5 mm. Nous affectons le matériau à “Fused_Silica” et appliquons un décalage de 0.5 mm dans la direction Z par rapport à la deuxième lentille.

Nous terminons notre système optique en réglant notre plan d'analyse à 99,319 mm du condenseur et en créant notre source optique (Source optique personnalisée avec profil gaussien, demi-singe angulaire x et y de 0,6 avec décalage az de -0,1 mm par rapport à l'origine) .

Analyse

Le profil d'irradiance de la source est une gaussienne avec une demi-largeur de 5 mm comme indiqué ci-dessous (créée avec 100 millions de rayons).

La distribution finale après que le faisceau a traversé l'homogénéisateur au niveau du plan d'éclairage (distance de 100 mm) est indiquée ci-dessous. Comme on le voit à partir de la distribution finale au niveau du plan d'éclairage, nous avons réussi à homogénéiser notre faisceau.

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