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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:沈庭宇
研究生(外文):Shen, Ting yu
論文名稱:高均勻度線形雷射圖案產生器透鏡之光學設計
論文名稱(外文):Design of High Uniform Laser Line Generator
指導教授:蕭金廷
指導教授(外文):Shiau, Chin Ting
口試委員:劉宗平趙偉忠
口試委員(外文):Liu, Tsung PingJau, Wei Jung
口試日期:2011-07-13
學位類別:碩士
校院名稱:輔仁大學
系所名稱:物理學系
學門:自然科學學門
學類:物理學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2011
畢業學年度:99
語文別:中文
論文頁數:53
中文關鍵詞:線型雷射圖案產生器透鏡
外文關鍵詞:line laser generator lens
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本篇論文中,討論如何設計線形雷射圖案產生器透鏡。以綠光雷射設為光源,經過透鏡後,雷射光束發散後的扇形角達到120度,並且照度分布均勻。第一面鏡面為Biconic Zenike透鏡,第二面為平面。
設計原理為利用能量守恒,可以得到在目標面上的入射光線和出射光線的關係。相對的關係的光線數據會設定在優劣函數(Merit function)來進行優化。

This thesis aims at design high uniform laser line generator lens. Light source is green laser. The design uses a lens with Biconic Zenike convex in front surface and a plane surface in other side. After the light source passes the lens, the divergent laser beam becomes a 120 degrees line and the illumination is uniform.
The design philosophy is energy conservation in laser beam. We get the input ray relations data and output ray relations data at target plane. The relations in ray data are set in Merit function for optimization.

I
目錄
中文摘要 I
英文摘要 II
致謝 III
目錄 IV
圖錄 VI
表錄 XI
第一章 緒論 1
1.1 線形雷射圖案產生器透鏡歷史 1
1.2 線形雷射圖案產生器透鏡產品規格 3
1.3 論文研究目的 6
第二章 理論架構 8
2.1 雷射光學特性 8
2.2 設計高均勻度線形雷射圖案產生器透鏡優化理論 10
2.3 透鏡類型 14
2.3.1 標準透鏡(Standard surface) 14
2.3.2 Biconic Lens 16
2.3.3 Biconic Zenike Lens 18
2.4 線形雷射圖案產生器透鏡之擺放 19
II
第三章 線型雷射透鏡設計 19
3.1 光源初始的設置 20
3.2 鏡片的設置 24
3.3 扇形角度60 度的線形雷射圖案產生器透鏡設計 26
3.4 扇形角度120 度的線形雷射圖案產生器透鏡設計 40
第四章 設計結果和討論 44
4.1 扇形角度60 度的線形雷射圖案產生器透鏡設計討論 45
4.1.1 光學透鏡合理性討論 45
4.1.2 線性雷射圖案的扇形角度討論 47
4.1.3 模擬出的透鏡均勻度對比產品的均勻度 47
4.2 扇形角度120 度的線型雷射圖案產生器透鏡設計討論 49
4.2.1 光學透鏡合理性討論 49
4.2.2 線性雷射圖案的扇形角度討論 51
4.2.3 均勻度討論 52
第五章 總結 5 3
參考文獻 54
III
圖錄
圖 1-1 鮑威爾透鏡 2
圖1-2 Frady 所設計的透鏡 2
圖 1-3 Bietry 所設計的透鏡 3
圖 1-4 鮑威爾透鏡產品 4
圖 1-5 扇形角 4
圖 1-6 PHOTOP 公司30 度線型雷射透鏡均勻度 5
圖 1-7 均勻性示意圖 6
圖 2-1 雷射能量分布圖 8
圖 2-2 He-Ne 紅光雷射強度2D 分布 9
圖 2-3 He-Ne 紅光雷射強度3D 分布 9
圖 2-4 入射光經過光學透鏡的出射光示意 10
圖 2-5 入射雷射剖面圖 11
圖 2-6 出射雷射剖面圖 11
圖 2-7 標準透鏡座標示意圖 14
圖 2-8 標準透鏡3D 圖 14
圖 2-9 不同圓錐曲線值曲面的變化情形 15
圖 2-10 用Biconic lens 設計扇形角120 的線型雷射透鏡 17
IV
Y 方向相對照度
圖 2-11 用Biconic lens 設計扇形角120 的線型雷射透鏡 17
的Y-Z 平面光學系統
圖 2-12 Zemax 軟體中的Extra data 18
圖 2-13 平面面向入射雷射 19
圖 2-14 凸面面相入射雷射 19
圖 3-1 輸入入射光束直徑和設定成雷射 21
圖3-2 Zemax 軟體輸入設定波長處 21
圖3-3 在y-z 平面上觀察的初始光源 22
圖 3-4 利用3D 圖觀察初始光源 22
圖3-5 初始光源X 方向的相對照度 23
圖 3-6 初始光源Y 方向的相對照度 24
圖 3-7 初始光源在觀察面上的圖型 24
圖 3-8 初始鏡面參數設置 25
圖3-9 光學透鏡初始結構 25
圖 3-10 扇形角30 度的線型雷射透鏡的光學系統 26
圖 3-11 選取Variable 讓參數換成變數 27
圖 3-12 設定成變數的透鏡參數表和多項式係數表 27
圖 3-13 優劣函數(Merit Function) 28
V
圖 3-14 設定觀察面 28
圖 3-15 Zemax 軟體中放置巨集(Macro)的位置 29
圖 3-16 執行自定巨集(Macro) 30
圖 3-17 起始變數設定 31
圖 3-18 設定迴圈 32
圖 3-19 設定優化指令與權重 32
圖 3-20 設定等份數 33
圖 3-21 設定優化公式與入射光數變化公式 33
圖 3-22 設定優化指令和計算目標值輸入Merit Function 中 33
圖 3-23 經由巨集設定REAX 部分的Merit Function 34
圖 3-24 設定REAY 優化指令部分的巨集 34
圖 3-25 執行優化並結束整體計算巨集 35
圖 3-26 經由巨集設定REAY 部分的Merit Function 35
圖 3-27 整體的Marco 指令 36
圖 3-28 扇形角60 度的線形雷射圖案透鏡Y方向相對照度 37
圖 3-29 扇形角60 度的線形雷射圖案產生器X 方向相對照度 38
圖 3-30 扇形角60 度的線形雷射圖案產生器透鏡的Y-Z 平面
觀測透鏡 38
VI
圖 3-31 扇形角60 度的線形雷射圖案產生器透鏡的光學透鏡 39
3D 表示
圖 3-32 扇形角60 度的線形雷射圖案產生器透鏡的側面觀察 39
光發散
圖3-33 扇形角60 度的線形雷射圖案產生器透鏡的觀察面上 40
看光型
圖 3-34 120 度線型雷射光學整體規格架構 41
圖3-35 扇形角為120 度時更改的巨集設定 41
圖 3-36 扇形角120 度的線形雷射圖案Y 方向相對照度 42
圖 3-37 扇形角120 度的線形雷射圖案X 方向相對照度 42
圖 3-38 扇形角120 度線形雷射圖案產生器透鏡Y-Z 平面 43
觀測透鏡圖
圖 3-39 扇形角120 度的線形雷射圖案產生器透鏡3D 表示 43
圖 3-40 扇形角120 度時光學系統側面觀察光發散 44
圖 3-41 扇形角120 度時觀察面上的光型 44
圖 4-1 扇形角60 度線形雷射圖案產生器透鏡初始參數 46
圖4-2 扇形角60 度線形雷射圖案產生器透鏡初始的3D 圖 46
圖 4-3 扇形角60 度線形雷射圖案產生器透鏡修改透鏡半徑 46
圖 4-4 扇形角60 度線形雷射圖案產生器透鏡修改半徑後的 47
VII
3D 圖
圖 4-5 扇形角60 度的線型雷射圖案Y 方向相對照度 48
圖4-6 PHOTOP 公司製作的60 度扇形角線型雷射透鏡 49
圖案產生器得相對強度
圖 4-7 扇形角120 度的線形雷射圖案透鏡初始透鏡參數 50
圖 4-8 扇形角120 度的線形雷射圖案透鏡初始3D顯示 50
透鏡
圖 4-9 扇形角120 度的線形雷射圖案透鏡改變透鏡高度 50
參數
圖 4-10 改變光學透鏡的寬度後的3D 顯示光學透鏡 51
圖 4-11 扇形角120 度的線型雷射圖案Y 方向的相對照度 52
VIII
表錄
表1-1 SLGL-05-090-25X 的鮑威爾透鏡(Powell Lens)規格 5
表 2-1 圓錐係數(Conic coefficient)和曲線的關係 15
表 3-1 巨集(Macro)指令 31
參考文獻
[1]Frank L. Pedrotti, S.J., Leno S. Pedrotti, Leno M. Pedrotti,
Introduction To Optics (Prentice Hall,2007 )
[2] Powell, “Design of a laser beam line expander.”
,U.S.Patent#4826299,1987
[3]R. A. Frady. “Line projection lens.”,U.S. Patent #5283694,1994
[4]J. B. Bietry, “Laser line generator system.”
U.S. Patent#6069748, 2000
[5] Powell Lens, “ DIRECT INDUSTRY.” , 2011
<http://www.directindustry.com/prod/photop-technologies/laser-lense
s-36166-528176.html>
[6] PHOTOP , “Powell Lens”, Nam-Hyong Kim
[7] Nam-Hyong Kim, “How to Design a Gaussian to Top-Hat Beam
Shaper”,2006.
[8]Wikiped , “Conic constant.” ,2011
< http://en.wikipedia.org/wiki/Conic_constant>
[9]張弘,幾何光學(台灣東華書局,台灣,1993)
QRCODE
 
 
 
 
 
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                               
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