CN111308702B - 一种反射镜阵列优化设计方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种基于非序列光线追迹，对反射镜阵列二维偏转角度进行优化设计的方法，通过定义优化评价函数来控制与引导优化过程。每个反射镜的二维偏转角为优化变量，在正交下降算法指定的范围内，计算优化变量的最佳值。通过以上过程，本申请提供的反射镜阵列优化设计方法可以对反射镜在二维方向的偏转角度进行自动循环迭代优化，迭代循环结束之后，得到反射镜阵列中每个反射镜在二维方向的偏转角度，进而实现目标面上理想的光斑照度分布。

Description

一种反射镜阵列优化设计方法

技术领域

本申请涉及非相干光束整形技术领域，尤其涉及一种反射镜阵列优化设计方法。

背景技术

在光刻等领域，在目标面上能够形成特定光斑形状，且能量损失小、照度均匀性高的非相干光束整形器件可以应用于离轴照明，以提高光刻系统的分辨率。此外，在非成像光学领域，例如太阳能、用于照明的LED光束整形系统等，高质量的非相干光束整形器件是必不可少的。

高质量的非相干光束整形器件的设计与加工，在非成像光学领域具有举足轻重的地位。目前，数字微反射镜设备的每个反射镜只有开、关两种状态，无法实现反射镜阵列中每个反射镜在二维方向的任意偏转角度，以实现目标面上任意一种目标照度分布。

发明内容

本申请提供了一种反射镜阵列优化设计方法，以解决无法计算反射镜阵列中每个反射镜在二维方向的偏转角度，以实现目标面上任意一种目标照度分布的技术问题。

为了解决上述技术问题，本申请实施例公开了如下技术方案：

本申请实施例公开了一种反射镜阵列优化设计方法，包括：建立非序列光线追迹光学模型，并对所述光学模型中光源、反射镜阵列、探测器的参数进行初始化，根据软件所能容忍的最高光线节点数设置所述反射镜阵列的光线追迹数目；

设置ZPL宏程序的优化评价函数、非目标照度分布区域的总照度阈值、以及所述反射镜阵列的每个反射镜的二维方向偏转角度的变化范围，其中，所述优化评价函数中的优化变量为各所述反射镜的二维方向偏转角度；

所述优化评价函数为：

其中，式(1)中：p是探测器上每个像素的索引，I_R是探测器上像素p的当前照度值，I_T是探测器上像素p的目标照度值，m(p)是探测器上像素p的优化权重；

根据所述光线追迹数目，执行非序列光线追迹，利用正交下降算法得到所述评价函数的局部极小值；

根据所述评价函数的局部极小值时，对应的优化变量，调整各所述反射镜的二维方向偏转角度；

利用所述探测器，获取各所述反射镜处于调整后的二维方向偏转角度时，非目标照度分布区域的总照度值；

判断所述总照度值是否小于所述总照度阈值；

如果所述总照度值大于或等于照度限值，则提取所述探测器上每个像素点的当前照度值，并根据所述当前照度值更新所述优化评价函数；

依据更新后的所述优化评价函数，返回执行下一次的非序列光线追迹计算；

如果所述总照度值小于所述总照度阈值，则各所述反射镜处于调整后的二维方向偏转角度作为最终的二维方向偏转角度。

可选的，对所述光学模型中光源、反射镜阵列、探测器的参数进行初始化包括：

光源参数的初始设置；

反射镜阵列的阵列数目和反射镜单元大小的初始设置；

探测器的像素数和像素尺寸的初始设置；

光源、反射镜阵列、探测器的位置的初始设置。

可选的，所述总照度阈值为：

式(2)中，P_S表示光源总功率，A_NT表示非目标照度分布区域的面积。

可选的，所述光线追迹数目≥10⁶。

可选的，所述探测器的像素数为200×200，像素尺寸为0.5mm×0.5mm。

可选的，所述光源的光线波长为550nm。

可选的，光源、反射镜阵列、探测器的位置的初始设置包括：

所述光源出射的入射光线准直且光强均匀分布，所述入射光线经过所述反射镜阵列反射后形成反射光线，所述反射光线的光轴与所述探测器相互垂直。

与现有技术相比，本申请的有益效果为：

本申请提供了一种基于非序列光线追迹，对反射镜阵列二维偏转角度进行优化设计的方法，通过定义优化评价函数来控制与引导优化过程。每个反射镜的二维偏转角为优化变量，在正交下降算法指定的范围内，计算优化变量的最佳值。通过以上过程，本申请提供的反射镜阵列优化设计方法可以对反射镜在二维方向的偏转角度进行自动循环迭代优化，迭代循环结束之后，得到反射镜阵列中每个反射镜在二维方向的偏转角度，进而实现目标面上理想的光斑照度分布。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的一种反射镜阵列优化设计方法的流程示意图；

图2为本申请实施例中光学模型的光学结构初始状态图示；

图3为本申请实施例在优化过程中的反射镜阵列的三维示意图；

图4为本申请的仿真示例1的照度分布图；

图5为本申请的仿真示例2的照度分布图；

图6为本申请的仿真示例3的照度分布图。

其中，1-光源，2-反射镜阵列，3-探测器。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

如图1所示，本申请实施例提供了一种反射镜阵列优化设计方法，包括：

S100：建立非序列光线追迹光学模型，并对所述光学模型中光源、反射镜阵列、探测器的参数进行初始化，根据软件所能容忍的最高光线节点数设置所述反射镜阵列的光线追迹数目。

对所述光学模型中光源、反射镜阵列、探测器的参数进行初始化包括：光源参数的初始设置；反射镜阵列的阵列数目和反射镜单元大小的初始设置；探测器的像素数和像素尺寸的初始设置；光源、反射镜阵列、探测器的位置的初始设置。

具体的，本实施例中设置：所述探测器的像素数为200×200，像素尺寸为0.5mm×0.5mm。所述光源的光线波长为550nm，所述光源的总功率为1W。

光源、反射镜阵列、探测器的位置的初始设置包括：所述光源出射的入射光线准直且光强均匀分布，所述入射光线经过所述反射镜阵列反射后形成反射光线，所述反射光线的光轴与所述探测器相互垂直。

本实施例中，每个反射镜均是尺寸相同的正方体，在二维方向进行偏转，进而对目标面上的非相干照度进行重新分布。在进行迭代优化之前，每个反射镜在二维方向偏转的角度为零，因此初始情况下，整个反射镜阵列为一平面，初始状态下光学结构如图2所示。

在图2中，光学结构由非相干光源1，初始结构为平面的反射镜阵列2和探测器3构成。图2所示的初始结构为光学系统的简化形式，光源1为非相干光源经过准直与光强均匀化后，光源1出射准直且光强均匀分布的光束。探测器与反射光束的光轴相互垂直。为了保证后续的迭代优化能够找到一个最优解，初始结构需保证反射镜阵列与探测器之间的间隔d_FD与反射镜阵列的宽度、长度的比值均大于10。

因非序列光线追迹有一定的概率随机性，光线追迹的数目要尽可能的多，最大到软件所能容忍的最高光线节点数。为了实现非序列光线追迹，所述光线追迹数目≥10⁶。本实施例中选取光线追迹数目为10⁷。

S200：设置ZPL宏程序的优化评价函数、非目标照度分布区域的总照度阈值、以及所述反射镜阵列的每个反射镜的二维方向偏转角度的变化范围，其中，所述优化评价函数中的优化变量为各所述反射镜的二维方向偏转角度。

所述优化评价函数为：

式(1)中，p是探测器上每个像素的索引，I_R是探测器上像素p的当前照度值，I_T是探测器上像素p的目标照度值，m(p)是探测器上像素p的优化权重。

在反射镜阵列初始平面上的入射角为45°的准直入射光束。反射镜材料或者反射镜表面涂层材料为铝或金，改变光源波长或者光源类型不会对目标面上的照度分布产生影响。如图3所示，为优化过程中的反射镜阵列的三维示意图。每个反射镜在二维方向，绕x轴与y轴偏转。因此，反射镜的2D倾斜角由图3中沿x轴和y轴的(α，β)共同定义。

图3中，

代表反射镜的法线,γ_i代表入射光线与反射镜的法线之间的夹角。

当反射镜偏转α时，反射光线偏转2α。基于此基本属性，将阵列中每个反射镜的二维偏转角(α，β)进行迭代优化，直至在目标面上获得所需的光斑照度分布。

S300：根据所述光线追迹数目，执行非序列光线追迹，利用正交下降算法得到所述评价函数的局部极小值。

S400：根据所述评价函数的局部极小值时，对应的优化变量，调整各所述反射镜的二维方向偏转角度。

S500：利用所述探测器，获取各所述反射镜处于调整后的二维方向偏转角度时，非目标照度分布区域的总照度值。

S600：判断所述总照度值是否小于所述总照度阈值。

S700：如果所述总照度值大于或等于照度限值，则提取所述探测器上每个像素点的当前照度值，并根据所述当前照度值更新所述优化评价函数。

依据更新后的所述优化评价函数，返回执行下一次的非序列光线追迹计算。

S800：如果所述总照度值小于所述总照度阈值，则各所述反射镜处于调整后的二维方向偏转角度作为最终的二维方向偏转角度。根据最终的二维方向偏转角度设置反射镜阵列中各个反射镜，最终实现不同目标照度分布。

本实施例在Zemax软件中实施，本申请提供了一种基于非序列光线追迹，对反射镜阵列二维偏转角度进行优化设计的方法，通过定义优化评价函数来控制与引导优化过程。每个反射镜的二维偏转角为优化变量，在正交下降算法指定的范围内，计算优化变量的最佳值。通过以上过程，本申请提供的反射镜阵列优化设计方法可以对反射镜在二维方向的偏转角度进行自动循环迭代优化，迭代循环结束之后，得到反射镜阵列中每个反射镜在二维方向的偏转角度，进而实现目标面上理想的光斑照度分布。本申请提出，针对非相干光束整形，在Zemax软件非序列模式下，采用非序列光线追迹，正交下降迭代优化算法，对反射镜阵列的二维偏转角进行自动迭代优化，从而在目标面上得到所需要的任意形状的光斑照度分布。

在本申请所做的模拟验证中，非相干光源出射准直、单色、且照度均匀分布的光束，光源波长为550nm，光源总功率为1瓦，非序列光线追迹的数目为1千万条光线。探测器上的像素数为200×200，像素尺寸为0.5mm×0.5mm。本申请实施例优化的速度与计算机的性能有直接关系，在本实施例中，采用Intel Xeon E3-1270系列，计算机主频3.50GHz，64位操作系统，4核和32G的内存。

本申请给出三个仿真示例，以验证本发明提出的优化设计方法。

仿真示例1的目标为内孔尺寸为8mm×8mm的矩形孔的照度分布图；仿真示例2为内孔尺寸为10mm×10mm的矩形孔的照度分布图；仿真示例3为，由四个对称分布的方形光斑构成的照度分布图。选用这三个示例的原因，是这三个示例很难通过普通的光学元件来创建这种类型的照度分布。

如图4所示，为仿真示例1的照度分布图，为内孔尺寸为8mm×8mm的矩形孔。自动优化仅需2个循环，优化总时间为2.07小时。

如图5所示，为仿真示例2的照度分布图，为内孔尺寸为10mm×10mm的矩形孔。自动优化仅需3个循环，优化总时间为1.45个小时。

如图6所示，为仿真示例3照度分布图，为由四个对称分布的方形光斑，四个方形光斑关于探测器的垂直轴X＝0与水平轴Y＝0对称。每个正方形光斑的大小为5mm×5mm,四个方斑中心点之间的水平与垂直间隔为15毫米。自动优化仅需3个循环，优化总时间为1.5个小时。

仿真实施例表明，本申请对反射镜阵列二维方向偏转角度的自动优化设计方法，针对非相干光束整形，以得到目标面上任意形式的光斑照度分布，是正确可行的。除本申请给出的实施例外，采用本发明的优化设计方法，可以在目标面上得到任意形式的、更复杂的光斑照度分布。由于优化函数中三组优化操作数的控制，自动优化过程更加简单。反射镜阵列对光源的波长不敏感，目标面上光斑的位置不会随光源波长的改变而改变。本申请提供的反射镜阵列优化设计方法，在照明工程领域具有潜在的应用前景。

此外，本发明基于非序列光线追迹，对反射镜阵列二维偏转角度进行优化设计的方法，与衍射光学或其他类型的解决方案相比，在器件加工方面，具有更大的制造公差容限。波长对目标面上光斑分布的影响更小，仅与菲涅耳损耗有关。基于本申请的设计和优化方法，得到的反射镜阵列可以替代照明工程领域其他类型的非相干光束整形器件。

由于以上实施方式均是在其他方式之上引用结合进行说明，不同实施例之间均具有相同的部分，本说明书中各个实施例之间相同、相似的部分互相参见即可。在此不再详细阐述。

需要说明的是，在本说明书中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的电路结构、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种电路结构、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，有语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的电路结构、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里发明的公开后，将容易想到本申请的其他实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本申请的真正范围和精神由权利要求的内容指出。

以上所述的本申请实施方式并不构成对本申请保护范围的限定。

Claims (6)

1.一种反射镜阵列优化设计方法，其特征在于，包括：

建立非序列光线追迹光学模型，并对所述光学模型中光源、反射镜阵列、探测器的参数进行初始化，根据软件所能容忍的最高光线节点数设置所述反射镜阵列的光线追迹数目；

设置ZPL宏程序的优化评价函数、非目标照度分布区域的总照度阈值、以及所述反射镜阵列的每个反射镜的二维方向偏转角度的变化范围，其中，所述优化评价函数中的优化变量为各所述反射镜的二维方向偏转角度；

所述优化评价函数为：

式(1)中，p是探测器上每个像素的索引，I_R是探测器上像素p的当前照度值，I_T是探测器上像素p的目标照度值，m(p)是探测器上像素p的优化权重；

所述总照度阈值为：

式(2)中，P_S表示光源总功率，A_NT表示非目标照度分布区域的面积；

根据所述光线追迹数目，执行非序列光线追迹，利用正交下降算法得到所述评价函数的局部极小值；

根据所述评价函数的局部极小值时，对应的优化变量，调整各所述反射镜的二维方向偏转角度；

利用所述探测器，获取各所述反射镜处于调整后的二维方向偏转角度时，非目标照度分布区域的总照度值；

判断所述总照度值是否小于所述总照度阈值；

如果所述总照度值大于或等于所述总照度阈值，则提取所述探测器上每个像素点的当前照度值，并根据所述当前照度值更新所述优化评价函数；

依据更新后的所述优化评价函数，返回执行下一次的非序列光线追迹计算；

如果所述总照度值小于所述总照度阈值，则各所述反射镜处于调整后的二维方向偏转角度作为最终的二维方向偏转角度。

2.根据权利要求1所述的反射镜阵列优化设计方法，其特征在于，对所述光学模型中光源、反射镜阵列、探测器的参数进行初始化包括：

光源参数的初始设置；

反射镜阵列的阵列数目和反射镜单元大小的初始设置；

探测器的像素数和像素尺寸的初始设置；

光源、反射镜阵列、探测器的位置的初始设置。

3.根据权利要求2所述的反射镜阵列优化设计方法，其特征在于，所述光线追迹数目≥10⁶。

4.根据权利要求3所述的反射镜阵列优化设计方法，其特征在于，所述探测器的像素数为200×200，像素尺寸为0.5mm×0.5mm。

5.根据权利要求3所述的反射镜阵列优化设计方法，其特征在于，所述光源的光线波长为550nm。

6.根据权利要求3所述的反射镜阵列优化设计方法，其特征在于，光源、反射镜阵列、探测器的位置的初始设置包括：

所述光源出射的入射光线准直且光强均匀分布，所述入射光线经过所述反射镜阵列反射后形成反射光线，所述反射光线的光轴与所述探测器相互垂直。

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