微透鏡陣列技術的案例
飛秒脈沖激光空間光場調控的微透鏡陣列制備技術進展
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隨著科學技術的發展，人們對器件的微型化和集成化的要求越來越高，這些微型器件具有能耗少、功能集成、設計自由程度高等特點。尤其是在光學領域，集成光波導芯片等器件在具有與傳統器件相同功能的基礎上，其體積卻可以縮小幾十倍。
作為最基本的微光學元件，微透鏡在多個領域都有非常廣泛的潛在應用，然而常見的面向透明硬脆材料微透鏡的制備方法效率低下，且對作業環境的要求較高，極大地限制了透明硬脆材料微透鏡陣列的大面積制備。
近日，清華大學樊華博士后、吉林大學王磊副教授和徐穎教授等人在《液晶與顯示》（ESCI、核心期刊）發表了題為“飛秒脈沖激光空間光場調控的微透鏡陣列制備技術進展”的綜述文章。
本文介紹了利用飛秒激光燒蝕結合濕法刻蝕制備硬脆材料微透鏡陣列的基本方法，并系統地分析了影響所制備微透鏡形貌的關鍵因素。通過在加工過程中對聚焦光斑的數量和位置進行精細調控，極大地提高了透明硬脆材料微透鏡陣列的加工效率，且可以在加工過程中動態地調整飛秒激光燒蝕改性的形貌，從而實現不同尺寸微透鏡陣列的高速制備。
引言
微透鏡陣列對表面質量和形貌要求比較高，因此對制備工藝提出了很嚴格的要求。科研人員提出了許多方法來實現具有高表面質量的微透鏡陣列的高效制備，比如：
針對柔性材料的熱壓印成型方法實現了大面積微透鏡陣列；
利用灰度光刻工藝和轉印方法在柔性的聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)襯底上實現了微透鏡陣列；
利用光刻和熱回流方式實現了基于聚二甲基硅氧烷材料的微透鏡陣列等。
展開 上海理工大學《Optics Express》：基于PμSL 3D打印技術的多焦距微透鏡陣列制造
微透鏡陣列是由微米級或亞毫米級透鏡按一定規律排列而成的陣列，被廣泛應用于光學和光子學領域，包括立體顯示、光均勻化、光束整形和三維成像等。與單個透鏡相比，微透鏡陣列可以收集每一點上的信息，如入射光線的強度和角度。在集成成像系統中，微透鏡陣列上的透鏡從不同的觀察角度在不同的空間位置捕捉一組子圖像，而這些圖像可以被重建在一起以提供一個偽視覺。此外，在光場成像系統中，位于物鏡和圖像傳感器之間的微透鏡陣列能夠在單次攝影曝光下收集空間和方向信息，無需聚焦于3D物體。大多數的微透鏡陣列中，所有透鏡的焦距都是相同的，這導致景深狹窄、深度感知能力有限。因此，這些微透鏡陣列不能直接獲取距離不同的物體的清晰圖像。
近日，上海理工大學張大偉教授課題組提出了一種多焦距微透鏡陣列的制作方法。該微透鏡陣列制造過程具體如下：首先，利用摩方精密面投影微立體光刻3D打印技術（nanoArch P140，BMF Precision，Shenzhen, China）制備出孔壁呈不同傾斜角度的微孔陣列，再采用旋涂的方法使微孔中殘留部分光敏樹脂并得到不同曲率的液面，最后經過PDMS翻模即可得到多焦距微透鏡陣列。該多焦距透鏡陣列能夠擴展成像景深，具有感知物體深度的能力。該成果以“Fabrication of uniform-aperture multi-focus microlens array by curving microfluid in the microholes with inclined walls”為題發表在光學期刊Optics Express上。
展開 用于M×N陣列波長選擇開關的光纖耦合微透鏡陣列設計
其主要功能是通過空間光耦合技術，將多個輸入光信號同時傳輸并切換至輸出光纖端口。WSS中負責將空間光束與光纖耦合的端口陣列模塊，決定了M×N端口WSS的關鍵參數，如輸入/輸出端口數量和插入損耗。本文采用強大的物理光學仿真工具VirtualLab Fusion 2023.1（Build 1.558）軟件，設計優化了硅基微透鏡陣列，實現1143 μm間距光纖陣列的高精度耦合。最終，所設計的微透鏡經制造驗證，在3 dB插入損耗條件下展現出優異的聚焦能力。該微透鏡陣列耦合系統在傳輸約300 mm距離后，可生成28個直徑約1mm（光束1/e2直徑）的聚焦光斑，顯著擴展了波長選擇開關的端口數量。該微透鏡陣列設計方法顯著提升了M×N端口波長選擇開關的端口數量，成功擴展至令人矚目的28×28端口規模。
展開 [VirtualLab論文] 用于M×N陣列波長選擇開關的光纖耦合微透鏡陣列設計
其主要功能是通過空間光耦合技術，將多個輸入光信號同時傳輸并切換至輸出光纖端口。WSS中負責將空間光束與光纖耦合的端口陣列模塊，決定了M×N端口WSS的關鍵參數，如輸入/輸出端口數量和插入損耗。本文采用強大的物理光學仿真工具VirtualLab Fusion 2023.1（Build 1.558）軟件，設計優化了硅基微透鏡陣列，實現1143 μm間距光纖陣列的高精度耦合。最終，所設計的微透鏡經制造驗證，在3 dB插入損耗條件下展現出優異的聚焦能力。該微透鏡陣列耦合系統在傳輸約300 mm距離后，可生成28個直徑約1mm（光束1/e2直徑）的聚焦光斑，顯著擴展了波長選擇開關的端口數量。該微透鏡陣列設計方法顯著提升了M×N端口波長選擇開關的端口數量，成功擴展至令人矚目的28×28端口規模。
展開 
微透鏡陣列的高級模擬
摘要
微透鏡陣列在數字投影儀、光學擴散器、三維成像等各種光學應用中得到越來越多的關注。VirtualLab Fusion允許應用一種先進的場跟蹤算法，通過所謂的多通道概念來分析這樣的數組元素。在本例中，介紹了微透鏡陣列組件的配置和使用。
微透鏡陣列的結構配置
場通過哪一種方法通過MLA傳播？
子通道分解 ? 該MLA組件的特點是，用戶可以選擇是通過一步(a)通過多個微透鏡傳播整個場，還是先分解場，使每個微透鏡單獨評估，每個這些所謂的子通道的輸出場隨后通過后續系統進行進一步處理，然后所有場被適當地放在一起(b) .? 子通道模擬更準確，但可能需要更長的時間。 哪種選擇更合適取決于多種因素。例如 微透鏡的數量，表面變化的強度，? 在哪里評估透鏡后面的場（近場、焦點、遠場）。 所以最好測試這兩個選項。? 有關配置，請轉到通道配置頁面上的“子通道：X 域”選項卡.
More Info about Subchannel Concept 子通道評估 ? VirtualLab Fusion還可以分別評估每個微透鏡的結果. ? 在“通道模式管理”選項卡上，通道模式可以通過它們的索引來選擇.
近場評估探測器的定位
區域邊界管理
場景演示
演示示例的配置
光線追跡結果: 綜述
光線追跡結果: 遠場
場追跡結果: 近場的能量密度
場追跡結果: 遠場的能量密度
在這里，沒有子通道的模擬中出現的數值偽影對遠場的影響較小。
展開 微透鏡陣列的高級模擬
摘要
微透鏡陣列在數字投影儀、光學擴散器、三維成像等各種光學應用中得到越來越多的關注。VirtualLab Fusion允許應用一種先進的場跟蹤算法，通過所謂的多通道概念來分析這樣的數組元素。在本例中，介紹了微透鏡陣列組件的配置和使用。
微透鏡陣列的結構配置
場通過哪一種方法通過MLA傳播？
子通道分解
? 該MLA組件的特點是，用戶可以選擇是通過一步(a)通過多個微透鏡傳播整個場，還是先分解場，使每個微透鏡單獨評估，每個這些所謂的子通道的輸出場隨后通過后續系統進行進一步處理，然后所有場被適當地放在一起(b) .
? 子通道模擬更準確，但可能需要更長的時間。 哪種選擇更合適取決于多種因素。
例如 微透鏡的數量，表面變化的強度，
? 在哪里評估透鏡后面的場（近場、焦點、遠場）。 所以最好測試這兩個選項。
? 有關配置，請轉到通道配置頁面上的“子通道：X 域”選項卡.
More Info about Subchannel Concept
子通道評估
? VirtualLab Fusion還可以分別評估每個微透鏡的結果.
? 在“通道模式管理”選項卡上，通道模式可以通過它們的索引來選擇.
展開 微透鏡陣列的高級模擬
由于相位信息不能直接獲取(在實驗環境中)，使用微透鏡陣列來產生聚焦圖案。通過分析這些圖案，例如測量焦點的橫向位移，可以獲得每個位置的入射波前的細節。使用快速物理光學建模和設計軟件VirtualLab Fusion，不僅可以直接獲得原始相位信息(這是仿真技術的好處之一)，還可以模擬光在整個夏克-哈特曼光學設備中的傳播。下面你可以看到一些物理光學模擬夏克-哈特曼類系統的例子。
夏克-哈特曼傳感器的仿真
用不同數值孔徑的平面波和球面波描述了夏克-哈特曼傳感器的工作原理。傳感器本身由雙凸微透鏡陣列組成。
用于x射線光學的哈特曼波前傳感器
在這個用例中，我們模擬了x射線場通過由針孔陣列組成的哈特曼波前傳感器的傳播。
展開 通過微透鏡陣列的傳播
隨著現代技術的發展，微透鏡陣列等專用光學元件越來越受到人們的重視。特別是在光學投影系統、材料加工單元、光學擴散器等領域，微透鏡陣列得到了廣泛的應用。在VirtualLab Fusion中，可以使用最新發布的版本中引入的一個新的MLA組件來設置和模擬這樣的系統，允許對微透鏡組件后面的近場以及遠場和焦點區域的傳輸場進行徹底的研究。
微透鏡陣列后光傳播的研究
本用例研究微透鏡陣列后傳播的光。給出并討論了近場、焦平面和遠場的效應。
微透鏡陣列的高級模擬
本用例解釋了VirtualLab Fusion中微透鏡陣列組件的配置和使用。
展開 FRED案例：矩形微透鏡陣列
介紹
小透鏡陣列可應用在很多方面，其中包含光束均勻化。本文演示了一個用于在探測器上創建均勻的非相干照度的成像微透鏡陣列的設計。輸入光束具有高斯輪廓，半寬度等于微透鏡陣列大小，并且顯示了其功率輪廓被微透鏡陣列消除掉。
系統輸出
簡單示例系統由單色光源組成，空間高斯切趾功率（1/e2=5mm）和0.6度半發散角，兩個相同的33*33透鏡陣列（10mm孔徑），微透鏡焦距4.80mm和單個微結構0.3mm，成像透鏡焦距100mm及位于成像透鏡的后焦平面位置的一個探測器平面。
成像結構如下所示，fLA1 < a12 < fLA1 + fLA2。在探測器平面上照明區域的直徑由下式給出：
照明平面上的半發散角度由下式給出：
在FRED文件給出的例子中，對于指定的微透鏡陣列和成像透鏡，結構如下給出：
DFT=6.07mm
θ≈4.4o
微透鏡構建
微透鏡的結構包括一個輸入平面，陣列式的基面和接近于微透鏡陣列裁剪體的外邊緣表面。這些組件如下所示：
可以采取以下步驟來創建微透鏡陣列的幾何結構。
1.創建一個組件來控制微透鏡陣列的組件（Menu > Create > New Subassembly）。
2.創建一個半寬度對應陣列微透鏡的輸入平面。在這個例子中，微透鏡間距是0.3毫米，微透鏡的數量是33x33，所以平面半寬度是16 *0.3+0.15=4.95mm。FRED原始構造用于定義平面（Menu>Create>New Element Primitive>Plane）。創建一個半寬度對應排列微透鏡的輸入平面。在這個例子中，微透鏡間距是0.3毫米，微透鏡的數量是33x33，所以平面半寬度是16 *0.3+0.15=4.95mm。
展開 VirtualLab：微透鏡陣列的高級模擬
摘要
微透鏡陣列在數字投影儀、光學擴散器、三維成像等各種光學應用中得到越來越多的關注。VirtualLab Fusion允許應用一種先進的場追跡算法，通過所謂的多通道概念來分析這樣的數組元素。在本例中，介紹了微透鏡陣列組件的配置和使用。
微透鏡陣列的結構配置
場通過哪一種方法通過MLA傳播？
子通道分解
?該MLA組件的特點是，用戶可以選擇是通過一步(a)通過多個微透鏡傳播整個場，還是先分解場，使每個微透鏡單獨評估，每個這些所謂的子通道的輸出場隨后通過后續系統進行進一步處理，然后所有場被適當地放在一起(b) .
?子通道模擬更準確，但可能需要更長的時間。哪種選擇更合適取決于多種因素。
例如 微透鏡的數量，表面變化的強度，
?在哪里評估透鏡后面的場（近場、焦點、遠場）。所以最好測試這兩個選項。
?有關配置，請轉到通道配置頁面上的“子通道：X 域”選項卡.
More Info about Subchannel Concept
子通道評估
?VirtualLab Fusion還可以分別評估每個微透鏡的結果.
?在“通道模式管理”選項卡上，通道模式可以通過它們的索引來選擇.
近場評估探測器的定位
區域邊界管理
場景演示
演示示例的配置
光線追跡結果: 綜述
光線追跡結果: 遠場
場追跡結果: 近場的能量密度
場追跡結果: 遠場的能量密度
在這里，沒有子通道的模擬中出現的數值偽影對遠場的影響較小。
展開 FRED案例：矩形微透鏡陣列
介紹
小透鏡陣列可應用在很多方面，其中包含光束均勻化。本文演示了一個用于在探測器上創建均勻的非相干照度的成像微透鏡陣列的設計。輸入光束具有高斯輪廓，半寬度等于微透鏡陣列大小，并且顯示了其功率輪廓被微透鏡陣列消除掉。
系統輸出
簡單示例系統由單色光源組成，空間高斯切趾功率（1/e2=5mm）和0.6度半發散角，兩個相同的33*33透鏡陣列（10mm孔徑），微透鏡焦距4.80mm和單個微結構0.3mm，成像透鏡焦距100mm及位于成像透鏡的后焦平面位置的一個探測器平面。
成像結構如下所示，fLA1 < a12 < fLA1 + fLA2。在探測器平面上照明區域的直徑由下式給出：
照明平面上的半發散角度由下式給出：
在FRED文件給出的例子中，對于指定的微透鏡陣列和成像透鏡，結構如下給出：
DFT=6.07mm
θ≈4.4o
微透鏡構建
微透鏡的結構包括一個輸入平面，陣列式的基面和接近于微透鏡陣列裁剪體的外邊緣表面。這些組件如下所示：
可以采取以下步驟來創建微透鏡陣列的幾何結構。
1.創建一個組件來控制微透鏡陣列的組件（Menu > Create > New Subassembly）。
2.創建一個半寬度對應陣列微透鏡的輸入平面。在這個例子中，微透鏡間距是0.3毫米，微透鏡的數量是33x33，所以平面半寬度是16 *0.3+0.15=4.95mm。FRED原始構造用于定義平面（Menu>Create>New Element Primitive>Plane）。創建一個半寬度對應排列微透鏡的輸入平面。在這個例子中，微透鏡間距是0.3毫米，微透鏡的數量是33x33，所以平面半寬度是16 *0.3+0.15=4.95mm。
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微透鏡陣列后光傳播的研究
1.摘要
隨著光學投影系統和激光材料加工單元等現代技術的發展，對光學器件的專業化要求越來越高。微透鏡陣列正是這些領域中一種常用元件。為了充分了解這些元件的光學特性，有必要對微透鏡陣列后各個位置的光傳播進行模擬。在這個應用案例中，我們將分別研究元件后近場、焦區以及遠場特性。
2.系統配置
3.系統建模模塊-組件
4.總結—組件 ……
仿真結果
1.場追跡結果—近場
2.場追跡結果—焦平面
3.場追跡結果—遠場
4.文件信息
了解更多
-Advanced Simulation of MicrolensArrays
展開 微透鏡陣列的高級模擬
摘要
微透鏡陣列在數字投影儀、光學擴散器、三維成像等各種光學應用中得到越來越多的關注。VirtualLab Fusion允許應用一種先進的場跟蹤算法，通過所謂的多通道概念來分析這樣的數組元素。在本例中，介紹了微透鏡陣列組件的配置和使用。
微透鏡陣列的結構配置
場通過哪一種方法通過MLA傳播？
子通道分解
? 該MLA組件的特點是，用戶可以選擇是通過一步(a)通過多個微透鏡傳播整個場，還是先分解場，使每個微透鏡單獨評估，每個這些所謂的子通道的輸出場隨后通過后續系統進行進一步處理，然后所有場被適當地放在一起(b) .
? 子通道模擬更準確，但可能需要更長的時間。 哪種選擇更合適取決于多種因素。
例如 微透鏡的數量，表面變化的強度，
? 在哪里評估透鏡后面的場（近場、焦點、遠場）。 所以最好測試這兩個選項。
? 有關配置，請轉到通道配置頁面上的“子通道：X 域”選項卡.
展開 通過微透鏡陣列的傳播
隨著現代技術的發展，微透鏡陣列等專用光學元件越來越受到人們的重視。特別是在光學投影系統、材料加工單元、光學擴散器等領域，微透鏡陣列得到了廣泛的應用。在VirtualLab Fusion中，可以使用最新發布的版本中引入的一個新的MLA組件來設置和模擬這樣的系統，允許對微透鏡組件后面的近場以及遠場和焦點區域的傳輸場進行徹底的研究。
微透鏡陣列后光傳播的研究
本用例研究微透鏡陣列后傳播的光。給出并討論了近場、焦平面和遠場的效應。
微透鏡陣列的高級模擬
本用例解釋了VirtualLab Fusion中微透鏡陣列組件的配置和使用。
展開 通過微透鏡陣列的傳播
隨著現代技術的發展，微透鏡陣列等專用光學元件越來越受到人們的重視。特別是在光學投影系統、材料加工單元、光學擴散器等領域，微透鏡陣列得到了廣泛的應用。在VirtualLab Fusion中，可以使用最新發布的版本中引入的一個新的MLA組件來設置和模擬這樣的系統，允許對微透鏡組件后面的近場以及遠場和焦點區域的傳輸場進行徹底的研究。
微透鏡陣列后光傳播的研究
本用例研究微透鏡陣列后傳播的光。給出并討論了近場、焦平面和遠場的效應。
微透鏡陣列的高級模擬
本用例解釋了VirtualLab Fusion中微透鏡陣列組件的配置和使用。
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