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ZEMAX光学设计实例（131）--一个用于分束的微透镜阵列的设计

2021-12-20 10:23| 发布者：Davis| 查看：1567| 评论：0|原作者: 小小光08

摘要：本文介绍了ZEMAX光学设计软件在微透镜阵列设计中的应用。微透镜阵列是一种具有平凸结构、集成度高、重量轻的光学元件，可以应用于激光器聚焦、光纤通信中杂散光的准直等领域。文章详细介绍了微透镜阵列的设计流程，并通过探测器上的光辐射量灰度图展示了微透镜阵列对光的分束效果。

引言：

微透镜阵列是直径在微米级的透镜沿一维或二维方向排列而成的，每个微透镜和传统透镜一致，都是具有两个折射表面（至少一个面是曲面）的光学成像元件。

为了方便与其他平面元件耦合链接，通常为平凸结构，排列在方形或矩形网格中。网格中的微透镜元可以为方形或圆形，其中方形微透镜组成的微透镜阵列的填充系数（Fill Factor）可达100%。

微透镜尺寸小、重量轻、集成度高，可以实现很多传统透镜无法实现的功能。

微透镜使用的范围非常广，比如，在半导体激光器中，使用椭圆形微透镜阵列，实现激光器的聚焦和准直；在光纤、光学集成回路中利用微透镜实现光器件的耦合；在光纤通信中，使用微透镜准直光纤中出射的杂散光；等等。

设计指标：

设计一个用于分束的微透镜阵列，一个平面光源经过一个1×8的微透镜阵列后分成许多小部分。

微透镜阵列的参数如下表：

材料	焦距	厚度	透镜间距	透镜形状	微透镜元数
熔融石英	5mm	1mm	500um	平凸透镜	1×8

该微透镜阵列的有效尺寸为0.5mm×4mm×1mm，因此可以选择光源的尺寸为0.5mm×4mm的椭圆光源。

设计流程：

首先，在Wavelength Data中输入波长为0.6328um，如下图：

然后，开始创建光源、微透镜阵列和探测器的初始结构。

A）创建光源

物体1选为椭圆光源（Source Ellipse），参数设置如下：输出光纤数为200，分析光线数为1000，功率为1W，x方向半宽为0.25mm，y方向半宽为2mm。

本例中，椭圆光源为高斯光束，余弦项指数（Cosine Exponent）Cn为0，高斯常数Gx为0，高斯常数Gy为0。

椭圆光源的光线分布的种类由参数值来确定。

如果Cn、Gx和Gy均为0，所有的光线看起来好像是从虚拟的点光源发出。

如果Cn大于等于1，则产生余弦分布(此时光源位置和Gx、Gy都可以忽略)。

如果Cn为0，但是Gx、Gy非0，则为高斯分布。Gx和Gy越大，分布在各自对应方向上变的越窄。

参数设置如下图：

注意：高斯光束的参数可以根据实际光源的参数来设置。

B）添加微透镜元

选择物体2为标准透镜（Standard Lens），参数设置如下：y方向位置为-1.75mm，z方向位置为5mm，材料为熔融石英（SILICA），前表面曲率半径为2.285mm，后表面为0，前后表面的净孔径和边缘孔径均为0.25mm，透镜厚度为1mm。如下图：

注意：为防止后面的阵列化物体与透镜元重叠，故将该透镜元的y方向位置设置为-1.75mm。

C）添加阵列

选择物体3为阵列（Array），y方向位置设置为-1.25mm，选择parent Object为物体2（即微透镜元），设置x、y方向上微透镜个数分别为1和7，设置y方向上每个微透镜的偏移量（delta1 Y`）为0.5mm。如下图：

D）放置探测器

物体4设置为矩形探测器，z方向位置为9.314mm（放置在阵列的焦平面上），设置x、y方向上半宽分别为0.3mm和2.5mm（略大于微透镜阵列），设置x、y方向上像元数均为100。如下图：

此时，查看3D视图：

在查看探测器前要先进行光线追迹，在“清除并追迹（Clear&Trace）后开始进行光线追迹。

此时探测器上出现了光辐射量灰度图，如下图：

在Setting中Show As中选择“列截面（Cross Section Column），如下图：

此时，可以从探测器上看出微透镜阵列对光的分束效果了。

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