Ansys | 什么是微光学？

微光学是指尺寸在1微米到1毫米之间横向尺寸或直径取决于具体系统的微型光学元件。该领域与光子学密切相关光子学涉及使用微型化系统在小尺度上操纵、传输和控制光。当今存在多种类型的微光学系统其中大多数是传统体积较大光学系统的缩小版本这些传统系统使用玻璃和聚合物等传统光学材料制造。然而也有一些微光学系统用于红外应用这些系统使用通过光刻技术制造的半导体材料。如今的微光学系统采用了许多与大型光学系统相同的基本原理和光学功能只是尺度要小得多。这包括不同光波长的折射、衍射和反射。微光学的更小尺度有时会引起光学像差但系统微型化的整体优势使得微光学对于许多先进技术应用至关重要。微光学的类型微光学存在多种类型其中许多以与传统光学元件包括透镜、反射镜、棱镜、衍射光栅和孔径光阑类似的方式制造只是规模要小得多。以下是一些当今常见的微光学元件。微透镜微透镜是非常小的透镜其直径在微米量级而不是毫米、厘米或更大尺度。近年来微透镜技术最大的进步之一是梯度折射率GRIN透镜。GRIN透镜具有多个表面可由不同材料制成所有这些表面都具有不同的折射率。这些多层结构利用透镜中各层的折射率变化来折射光线将光线周期性地折射到下一层。GRIN透镜也开始通过在微透镜表面刻划光栅来融入衍射光学元件。然而这些并非传统的GRIN透镜更像是超透镜。另一类主要的微透镜是微菲涅尔透镜它使用一系列同心曲面通过折射来聚焦光线。微透镜阵列微透镜阵列也称为透镜元阵列是一系列微型透镜透镜元它们被制造出来并按特定图案排列。这通常是网格或周期性图案它们被排列成这些特定图案以执行不同的功能例如操纵、聚焦或引导光线。根据其预期功能和工作原理微透镜阵列也可以制造成折射型微透镜阵列和衍射型微透镜阵列。光纤光纤在日常电信中用于传输光线而闻名。纤芯直径为微米级尺寸的光纤被认为是一种微光学系统。这些直径超小的光纤被分组在一起在光缆中长距离传输包含数据的光线。光纤具有折射率较低的纤芯、折射率较高的包层和外层保护涂层。较高的折射率将光线反射回纤芯内部将光线引导至预定目的地并确保光纤在传输过程中没有任何损耗。这种反射原理称为全内反射TIR。虽然该原理用于长距离传输光但光纤受控的光泄漏也用于汽车、飞机、船舶、夜总会等场所的环境照明效果。微棱镜微棱镜是光学棱镜的缩小版本由实心玻璃制成具有特定的几何形状能够旋转、位移和分散光线。虽然微棱镜是传统光学棱镜的缩小版但它们主要用于引导光线并在光纤通信中作为光开关得到了大量应用。微反射镜微反射镜是大型反射镜的缩小版本并使用相同的反射基本原理工作。与传统反射镜一样微反射镜通过在其表面涂覆反射涂层由介电或金属多层结构制成来在更小的尺度上反射光线。它们通常与小尺度的执行器结合使用使得在操作过程中能够精确调整其位置。微机电系统MEMS器件就是微反射镜系统的一个例子。虽然MEMS可以包含许多组件但一种常见的MEMS架构是一系列微反射镜每个反射镜都可以快速改变角度无论是同步还是独立进行。微光学的优势微光学有很多类型——每种都为特定应用带来了各自的具体优势——但主要的总体优势在于其尺寸小。此外小尺寸带来了许多次要优势包括能够使光学设备更轻、更不笨重特别是因为传统的多带宽光学系统体积庞大。这也意味着可以使用更少的材料、更低的成本为微电子学和光电子学开发先进的光学元件。微光学的小尺度也为这些透镜开辟了新的应用领域例如先进的手术内窥镜和机器人手术这些应用使用户能够透过具有不同粘度和透明度的不同类型液体进行观察。微光学的应用微光学元件正在帮助提高现有光学设备的性能并减小其尺寸为透镜和其他光学元件开辟新的应用领域并用更先进的系统替代现有技术。以下是一些常见用途。摄影测量摄影测量是一种类似于激光雷达lidar感测的过程但使用相机而非激光。摄影测量是一种利用照片重建物体和环境的方法。使用地面和空中的相机从多个角度拍摄照片然后通过高级软件算法进行处理和组合以创建地形图和3D模型。摄影测量可以在更大尺度上进行测绘并且可以使用计算机自动完成。摄影测量可以测量相机附近数百万个点并计算到每个点的距离。摄影测量比激光雷达更精确并且可以被动地检测这些距离而激光雷达则需要发射光线并进行飞行时间计算。透镜元阵列正以光场成像LFI相机的形式应用于摄影测量领域。这些相机不需要物理移动因为每个以特定距离隔开的透镜都有自己的视场来测量周围环境。无人机和自动驾驶汽车无人机和其他无人驾驶车辆很重因此需要减小组件的尺寸和重量。虽然光学元件在重量中只占一小部分但随着无人机变得越来越小它们使得成像系统和监测技术得以按比例缩小。除了使传统光学系统微型化之外无人机和其他自动驾驶车辆还可以集成摄影测量系统。配备摄影测量系统的无人机可以在一个小时内飞越一个地点并完成勘测而使用需要两三个人花几天时间的手动方法才能完成同样的任务。由于相机无需移动即可拥有多个视场它们也有可能取代当今自动驾驶汽车中使用的激光雷达系统。生物医学应用医疗设备——尤其是那些进入体内的设备——需要体积小。微光学正在帮助不同医疗设备和手术工具中的光学元件实现微型化。最大的应用领域之一是提高内窥镜中透镜的性能并减小其尺寸。微光学现在提供了一种在内窥镜中使用多波长能力的方法这有助于外科医生透视不同的液体包括血液和水。过去包含所有能够使内窥镜具备这些能力所需的光学元件过于繁琐。然而微光学系统的发展已将所需的光学元件微型化到了在手术中成为可能的水平。对于外科手术机器人手术机器可以在一个系统中包含不同波长的激光有些激光对血液透明但对水不透明而另一些则具有相反的特性。这使得外科医生能够针对特定的目标组织同时防止其他组织受到伤害。光操纵设备微透镜也可用于准直和聚焦来自小型光发射器如垂直腔面发射激光器VCSEL、激光二极管和光子集成电路PIC芯片上的波导的光。微光学可以校正偏离理想特性的光提高光的亮度并将来自多根光纤的光耦合起来。此外微光学还可用于分束器和偏振器将激光束分解成其偏振分量。相控阵天线集成到许多平台和封装中可用于最大化指向特定方向的能量。上方的动画显示了HFSS软件的动态波束控制动画并展示了天线在宿主封装其他部分上感应的电流。微光学的设计挑战微光学的小尺度使其设计和制造面临挑战。从制造方法的选择到孔径尺寸可能成为限制因素工程师在设计微光学系统时需要考虑许多事情。制造微光学小尺度以及对高性能的需求意味着需要高精度的制造技术。如果微光学元件制造质量不高那么整个系统的性能将受到影响。因此需要使用一系列先进的制造方法包括光刻胶回流 将光刻胶沉积到一个小圆形或球形区域。将器件加热到阈值温度此时光刻胶熔化并流过基底表面。它常用于在光电子芯片上制造具有圆边的微透镜。复制技术 这些是用于大型光学器件的制造技术但也可应用于制造微光学器件。它们包括注塑成型、紫外UV浇铸和热压印。微接触印刷 这是一种软光刻工艺用于制造光滑、弯曲且光学透明的表面。它用于较软的材料并且通常用于制造更柔性的基底层。基于晶圆的光刻 这种传统的半导体光刻技术用于制造用于红外应用的半导体基微光学器件。模拟流体与微光学的相互作用对于内窥镜等手术应用工程师需要展示体液如何与光学元件相互作用以及光如何通过不同的体液传播。因此需要对流体、光学元件以及光线在整个系统中的追迹进行建模——Ansys Fluent流体仿真软件可用于模拟这些相互作用。机械问题像普通透镜一样微透镜也需要安装。透镜的安装可能会引起振动从而影响光学器件的性能。此外安装透镜可能会引起双折射这也会影响微透镜的光学特性。可能影响微光学的物理方面可以通过Ansys Mechanical结构有限元分析软件进行建模。热问题热问题会以不同方式影响微光学。热量会导致组件膨胀和收缩从而导致玻璃结构变形包括玻璃中的波纹。玻璃的折射率与温度相关并且玻璃在穿过透镜时会根据其温度吸收不同水平的光/激光能量。因此对热效应进行建模对于高性能光学器件非常重要这可以通过Ansys Thermal Desktop以热为中心的建模软件和Mechanical 软件来完成。模拟微光学的光学特性可以使用Ansys Lumerical软件、Ansys Zemax OpticStudio光学系统设计和分析软件以及Ansys Speos CAD集成光学和照明仿真软件在不同尺度上模拟光学系统。Lumerical使用时域有限差分FDTD和量子阱求解器在非常小的尺度上模拟光学系统例如模拟超透镜、单个基底层和光学涂层。OpticStudio软件是下一个尺度放大将整个微光学系统作为一个独立的系统进行建模。Speos软件是最大尺度的模拟器用于观察微光学组件如何集成到更广泛的应用系统例如车辆中。虽然有多种不同的工具可用于模拟微光学的不同方面但解决微光学设计问题需要多个工具协同工作因为没有任何单一工具能够单独模拟所有不同的必要方面。微光学的未来微光学将继续发展变得更小、更轻、更先进。GRIN透镜是迄今为止最大的发展之一但未来我们很可能会看到超透镜和共封装光学的兴起。超透镜是一种将衍射光学和常规光学结合在非常薄且平坦的纳米尺度透镜中的技术而共封装光学则是一种先进的系统能够将微光学元件和电子元件集成到同一个芯片上。人们还认为量子计算可能是下一个使用微光学的重要应用之一。