Method for calculating a refractive optical element forming given illuminance distribution and wavefront

L.L Doskolovich,A.A Mingazov,D.A Bykov,E.A Bezus

doi:10.18287/2412-6179-co-912

Abstract

In the geometrical optics approximation, we consider a method for calculating a refractive optical element with two freeform surfaces, which transforms an incident beam with a plane wave-front into an output beam with a required wavefront and generating a required illuminance distribution. As examples, optical elements forming given illuminance distributions and (converging and diverging) spherical wavefronts are designed. The presented examples demonstrate the good performance of the method.

Highlights

Double freeform surfaces design for beam shaping with non-planar wavefront using an integrable ray mapping method / S
In the geometrical optics approximation, we consider a method for calculating a refractive optical element with two freeform surfaces, which transforms an incident beam with a plane wavefront into an output beam with a required wavefront and generating a required illuminance distribution
Bezus 1,2 1 IPSI RAS – Branch of the FSRC “Crystallography and Photonics” RAS, Molodogvardeyskaya 151, 443001, Samara, Russia, 2 Samara National Research University, Moskovskoye Shosse 34, 443086, Samara, Russia

Summary

Постановка задачи

Рассмотрим трёхмерное пространство 3 с координатами (x1, x2, z). Пусть на оптический элемент с двумя преломляющими поверхностями падает световой пучок с плоским волновым фронтом, параллельным плоскости z = 0, при этом пучок формирует в указанной плоскости распределение освещённости I (x), x = (x1, x2) G и (рис. 1а). Пусть на оптический элемент с двумя преломляющими поверхностями падает световой пучок с плоским волновым фронтом, параллельным плоскости z = 0, при этом пучок формирует в указанной плоскости распределение освещённости I (x), x = (x1, x2) G и В этой плоскости будут заданы распределение освещённости и функция эйконала, формируемые оптическим пучком, прошедшим через оптический элемент Поскольку направления лучей в плоскости z = f должны совпадать с направлениями лучей, преломлённых второй поверхностью R2, то определим вторую поверхность через функцию l (y), равную расстоянию вдоль направления луча от второй поверхности до плоскости z = f Требуется найти такие функции u1(x) и l(y), чтобы световой пучок, прошедший через оптический элемент, формировал в выходной плоскости z = f заданное распределение освещённости L(y) и заданный эйконал (y). 1. (а) Геометрия задачи формирования пучка, обеспечивающего заданное распределение освещённости и заданный волновой фронт (функцию эйконала).

Представление оптических поверхностей

Метод опорных квадрик

Примеры расчёта

Laser beam shaping