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フライアイレンズを用いた照度均質化の仕組み①

照射面を均一に照射する方法にフライアイレンズを用いる光学系があります。
フライアイレンズがどのようにしてエネルギーの均一化をおこなっているのか、
その仕組みについて説明します。

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①光学系の基本的な構成

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上図の左から光源->光源用コリメータレンズ->フライアイレンズ->照明レンズ
->照射面という順で並んでいます。
平行光が用意できれば、フライアイレンズと照明レンズの2つしかありません。
複雑な形状のフライアイレンズですが、光学系の構成はシンプルです。

フライアイレンズは干渉性のある光源には不向きです。
今回はマルチモードファイバを光源として設計しています。

 

②均一化の原理

光源から出た光がコリメートレンズを透過しコリメート光になっていたとします。

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さらに、このコリメート光のエネルギー分布はガウシアン分布であるとします。
コリメートレンズから出てフライアイレンズに入った光線の分布が
どのように変化しているのかを見てみましょう。

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上図はガウシアン平行光がフライアイレンズを透過して、照射面に到達するまでの
エネルギー分布の変化を順に並べたものです。何が起きているのでしょうか?

 

フライアイレンズを透過してから照射面到達までに、入射光線に起こる現象は3つです。

1.分割
2.拡大・縮小
3.集合

1と3についてイメージ図を用いて説明します。

丸いビームを4分割して一箇所に集めるイメージ図を下に示します。
丸い入射ビーム(青)をグリッド(黒線)で切って4分割しています。

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4つでは分割数が不足しています あまり均一化できてはいませんが

丸いビームが四角になっている様子がわかりますでしょうか?
次は16分割のイメージを見てみましょう。

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分割数が増えたことにより均一化が進みました。
分割されたタイル一つ一つを見ると、角が欠けたものがあったりと
均一化には不向きに見えそうですが、右が欠けたものがあれば同じように
左が欠けたタイルがあるため、うまく相殺されます。

いかがでしたか? 次回もフライアイレンズについて詳しい話を予定しています。
次回は2の拡大・縮小について説明します。


フライアイレンズを用いた照度均質化の仕組み②→

 

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