学文网透镜设计篇1
本文作者：王昊天 卜胜利 王宁 单位：上海理工大学 理学院
0引言
自1960年Maiman制成第一台红宝石激光器以来，激光器已被广泛地用于各行各业，但激光器对光学敏感元件，甚至人体的可能伤害也随之而来，进而推动了光学限幅技术的发展．光学限幅技术是指设计一种器件（光学限幅器），使其在低强度激光照射下具有较高的透过率，而在高强度激光照射下具有较低的透过率，因此可以保护光学敏感元件和人体免受强激光的伤害．Gordon等人早在1964年就报导了光学限幅现象［1］．1967年，Leite等人实验研究了光学限幅效应［2］．随后由于激光技术发展的限制，光学限幅技术研究进展也较缓慢．进入20世纪80年代后，激光技术快速发展，光学限幅技术也进入了飞速发展的阶段，特别是基于新型材料的光学限幅效应引起了人们的极大关注［3－7］．当前的光学限幅技术主要是利用光学材料的非线性吸收、非线性折射或非线性散射等非线性光学效应来实现的，据此可将光学限幅分为自散焦光学限幅、反饱和吸收光学限幅、非线性散射光学限幅、双光子吸收光学限幅、光折变光学限幅、光学双稳型光学限幅等．磁流体是一种由纳米级的强磁性颗粒通过表面活性剂高度均匀分散于某种载液中所形成的稳定胶体体系，其为一种强非线性折射材料［8］．当高斯激光束通过磁流体时，在磁流体内部会由于激光诱导的热效应导致其折射率横向不均匀分布，透过磁流体的光束变成环状的发散光斑，且在一定的条件下，入射光功率愈大，光斑的发散程度就愈大，此即磁流体的热透镜效应［5，9－10］．有些学者已通过在磁流体样品后放置一光阑，基于磁流体的热透镜效应，实验研究其自散焦光学限幅效应［3］．在具体实际应用中，如何选取恰当的参量（如：磁流体样品、器件尺寸等）来设计满足某种特定场合使用的磁流体光学限幅器（如：限幅阈值大小的选取、限幅阈值的调节范围等），目前尚没有系统的研究报导．本文以磁流体的热透镜效应为基础，从理论上系统地设计阈值可调的光学限幅器，有关结果能为实际器件的设计、制作提供有益的参考和指导．
1基本原理
由于磁性颗粒的光吸收系数相对较大（而普通的非磁性胶体的光吸收较小），导致激光束通过磁流体样品时，样品会吸收激光的相当部分能量，进而对其本身进行加热，导致样品中激光照射的区域及其附近形成一定的温度梯度．同时，样品中不同位置的磁性颗粒浓度将重新分布．这两个因素的共同作用使得样品内横向不同位置处的折射率发生不同的变化，类似于一个透镜，进而导致出射激光束的发散，且发射角可表示为［1，4，11］式中：r、P和w分别为激光束横向半径、入射总功率和样品位置处的激光光斑半径；L、n0、｜dn／dT｜、κ和α分别为磁流体样品的厚度、折射率、热光系数、热传导率和吸收系数．以不同发射角出射的透射光在磁流体样品后方进行干涉，形成远场稳定的光斑，其强度的空间分布可由基尔霍夫衍射理论得到［3，12－15］若在样品后放置一孔径适当的光阑，则可能会有部分光环无法通过光阑，如***2所示．由于环形光场的圆环半径随着光束向前传播而变大，且入射光强越大，半径扩大程度也就越大，因此在光阑孔径一定的情况下可使整个系统在低强度入射光照射下具有较高的透过率（因为大部分光环的半径小于光阑的孔径半径），而在高强度入射光照射下具有较低的透过率（因为大部分光环的半径大于光阑的孔径半径），即可很容易地实现光学限幅的目的．若适当地调节光阑的半径、光阑和样品的距离、样品的非线性折射率与厚度，便可改变系统出射光强的最大值，最终实现限幅阈值的可调性．式中：R和Z分别为远场光斑半径以及样品离光阑的距离；k0是入射光的传播常量；I0为入射光强；J0为零阶第一类Bessel函数；φL与φNL分别为强度非相关与强度相关的相位．根据式（2），利用如下已知参量：Z＝1．8m，w＝6．82×10－4m，I0＝P0／（Pw2／2）＝39546．95973W／m2（P0为入射光功率），可理论模拟出不同入射激光功率下的远场光斑***样，如***1所示．***1表明，远场光斑***样为一系列同心圆环，且在较大入射光功率下的远场光斑具有较多个数的圆环***样．由外到内，各个圆环的面积及亮度依次减小．此结果与Karimzadeh等人以及本文前期的实验结果非常吻合［3－4，6］．
2理论设计
若放置于探测平面前端的光阑孔径半径为l，则透过光阑的光功率为P＝∫2π0dθ∫l0I（R）2πRdR．此式结合式（2）表明，在给定磁流体的情况下（样品的厚度与非线性折射率为固定常量），可通过调节光阑孔径半径l及样品到光阑的距离Z来控制透过光阑的光功率，实现相应光学限幅器限幅阈值的调谐．为了为实际磁流体光学限幅器的设计与制作提供理论参考和指导，模拟计算了不同光阑孔径半径以及不同光阑到样品距离情况下光学限幅器的特性．在计算中，除非特别指出，否则所用的已知参量数值同***1所用的数值．***3为不同光阑孔径半径下磁流体光学限幅特性的理论曲线．***3表明，此光学限幅器的限幅阈值随着光阑孔径半径的增加而变大．当入射光的功率较低时，透过磁流体样品的一系列环形光束的半径都相对较小，其光强主要集中在光束中心附近．当光束传播到光阑位置时，其最环形光束半径小于光阑孔径半径，全部光束均可通过光阑．故在低功率范围内出射光功率会随着入射光功率的增大而线性增大［见***3（a）和（c）］，整个系统的透射率不受光阑影响而维持在一恒定的值［见***3（b）和（d）］．由于的光环半径会随入射光功率的增大而增大，当其增大到与光阑孔径半径一致时，出射光功率达到临界点，具有最大输出光功率（对应于***3中各个曲线的拐点）．进一步继续增加入射光功率，则到达光阑处的环形光束半径将会超过光阑孔径半径，导致一部分光束无法通过光阑，进而系统的出射光功率与透射率开始下降，光阑开始起到降低透射率的作用．显然，当光阑的孔径半径越大，则出射光功率达到临界点所对应的入射光功率就越大，即限幅阈值（***3中各拐点所对应的入射光功率值）就越大．在入射光功率持续增大的过程中，由外向内各环形光束的半径均随入射光功率的增加而增加，且依次地被光阑所阻挡，进而导致系统的透射率逐步下降．由***3还可看出，系统的透射率最后趋于一个很小的数值而不是零，这是由于在任何入射光功率下，出射光束中心的圆形微弱光斑均可通过光阑的孔径（见***1）．为了更清楚地看出系统的限幅阈值与光阑孔径半径的关系，***4给出了不同光阑到样品距离情况下，系统的限幅阈值随光阑孔径半径的变化关系．***4表明，系统的限幅阈值与光阑孔径半径成线性关系，且随光阑到样品距离的增加，限幅阈值增加的速率变小．这些对阈值可调光学限幅器的实际设计非常有益．***5为样品到光阑距离不同时，磁流体光学限幅特性的理论曲线．由***5可看出，随着样品到光阑距离的增加，光学限幅器的限幅阈值逐渐减小．这是由于透过磁流体样品的光束是一系列向外发射的圆环，各个圆环形光束的半径随入射光功率的增加和光束的向前传播而增加．
3结论
当光阑离样品的距离越大时，到达光阑处的光环半径也就越大．若固定光阑孔径半径和入射光功率，则当光阑到样品的距离较小时，光阑位置处光束光环半径可能小于光阑的孔径半径，此时系统的透过率为最大，而当光阑到样品的距离较大时，光阑位置处光束光环半径就可能大于光阑的孔径半径，此时系统的透过率已降低．很显然，光阑到样品的距离越大，系统的透过率就越低．也就是说，样品到光阑距离越大，系统出射光功率达到临界点（光阑开始发挥限制透射率的作用）所对应的入射光功率就越低．为了更清楚地看出系统的限幅阈值与光阑样品距离的关系，***6给出了不同光阑孔径半径情况下，系统的限幅阈值随光阑样品距离的变化曲线．***6表明，系统的限幅阈值随光阑样品距离的增大而减小，且光阑半径越大，限幅阈值随光阑样品距离的递减速度就越快，特别是当光阑样品距离较小时．固定光阑孔径半径情况下，系统限幅阈值随光阑样品距离递减速度均随光阑样品距离的增加而减小，最后趋于稳定值．这对设计合适的阈值可调光学限幅器具有很好的指导作用．
透镜设计篇2
【教学目标】
1.知识与技能
(1)知道什么是凸透镜，什么是凹透镜，用多种方法辨别凸透镜和凹透镜.
(2)认识凸透镜对光有会聚作用，凹透镜对光有发散作用.
(3)知道透镜的光心、主光轴、焦点和焦距.
(4)通过探究，了解透镜对光具有会聚(或发散)作用的原因.
2.过程与方法
(1)让学生带着问题，通过实验与探究，体验科学探究的过程.
(2)培养学生的观察能力和探究物理规律的能力.
3.情感态度与价值观
(1)创设情景，鼓励学生提出质疑，养成学生主动思考、善于思考的习惯.
(2)在学生的探究过程中培养学生科学的研究方法，逐步建立学生对物理学习的兴趣.
【教学重点与难点】
重点：凸透镜对光的会聚作用和凹透镜对光的发散作用.
难点：凸透镜对光的会聚作用和凹透镜对光的发散作用的原因.
【教学过程设计与分析】授课程序教师活动媒体设计学生活动设计意***应用多媒体分析导入新课引导学生观察画面内容，并指出：这些或简单或复杂的仪器的工作都离不开对透镜的使用.点名课题展示：生活中与透镜的使用密切相关的经常见到或使用的仪器***片认真看***片，分析***片中仪器的使用概况利用生活中常用的***片引导学生贴近本课主题，引起学生的学习兴趣由画面给学生视觉上的刺激，激发他们学习的兴趣，点名课题.问题提
出：透镜
的种类投影出几种不同类型的透镜，说明中间厚边缘薄的透镜为凸透镜，中间薄边缘厚的透镜为凹透镜.投影出几种不同类型的透镜在老师的引导下认真观看***片，对老师的提问做出自己的解答学生进行解答问题的过程中，教师要给予引导，并对他们的正确回答予以肯定和鼓励.使学生能够对不同形状的透镜进行科学正确的认识和分类活动一
观察凸
透镜和
凹透镜1.用手摸透镜的中央与边缘的薄厚
2.将透镜靠近书本，观察课本上的字并提出问题，让学生思考并回答辨别凸透镜与凹透镜的方法让学生回答：看课本上的字时，凸透镜与凹透镜成像各有什么特点；提出问题：同学们还有什么新发现吗？学生回答问题，并在老师的引导下积极操作，认真思考，提出自己新的发现让学生们自己动手操作，认真观察，积极思考，认识凸透镜与凹透镜的不同之处学生动手操作中，积极主动的思考，使他们真实感受凸透镜与凹透镜的不同之处活动二
辨别凸
透镜与
凹透镜提出问题，让学生思考并回答辨别凸透镜与凹透镜的方法问题：你有几种简易的方法，辨别两种凹透镜讨论回答自己辨别凸透镜和凹透镜的方法使学生在试验观察的基础上自己总结出辨别的方法展示辨别透镜的几种方法，使学生们一目了然探究透
镜对光
线的作用提出问题：试猜想平行光线通过透镜后会有什么现象呢？引导学生观察平行光通过透镜后的现象利用动态***像形象展示，得出结论在老师的引导下认真观察画面，积极思考，对老师的提问做出自己的回答通过仔细观察，相互讨论归纳结论直观的动态画面，刺激学生的眼球，进一步验证透镜对光线的作用.归纳总结凸透镜对光有会聚作用，凹透镜对光有发散作用光心、
主光轴、
焦点和
焦距学生自觉教材上光心、主光轴、焦点和焦距的概念
利用多媒体演示平行于主光轴的光线通过透镜后的传播学生领会实焦点虚焦点的含义展示出平行于主光轴的光线分别通过凸透镜和凹透镜的情况，投影出各自的光心、主光轴、焦点和焦距在老师的引导下认真观察***像，分析透镜的焦点和焦距，即时回答老师的问题使学生清楚认识透镜的光心、主光轴、焦点和焦距直观的画面演示，使学生得以清楚认识焦点和焦距以及透镜对光线的作用透镜对
光作用
的原因1.引导学生画出光通过三菱镜时的光路
2.学生思考：两块三菱镜组合在一起，平行光通过它们后会怎样呢？
3.透镜可以看做是由多个棱镜组合而成的(课文***4-19)展示光通过三菱镜时的光路
展示光通过组合三菱镜时的光路在老师的引导下认真分析得出光通过三菱镜时的光路(学生回答：向底面偏折)
分析得出光通过两块三菱镜组合的光路
得到不同的透镜对光有不同作用的原因分析现象，得出规律原因通过展示画面，进行分析，探索出透镜对光作用的原因小结布置作业
透镜设计篇3
摘要：有机电致发光从最初进行的研究直到今天,在许多方面都有了很大的突破,但目前仍存在着一些困难,例如器件的寿命就是比较关键的问题。如果器件具有较高的发光效率,便可在出射光子数相同的情况下,减少电子数的注入,从而降低了器件的焦耳热,提高了器件的寿命,所以提高OLED的量子效率是解决器件寿命问题的关键所在。利用微透镜提高器件的外量子效率可以取得明显的效果。本文探讨了Tracepro在OLED微透镜设计中的应用。
关键词：Tracepro；外量子效率；微透镜
中***分类号：TN141文献标识码：Ａ
Tracepro Applied in the Design of the Miccrolens
WU Fei，CHEN Wen-bin
（School of Optoelectronic Information,UESTC,Ｃhengdu 610054，Ｃhina）
Abstract:The paper focuses on the air/substrate interface to enhance the external quantum efficiency of organic light-emitting devices. It is reported that a method enhances the external quantum efficiency of organic light-emitting devices, employingmicrolens arrays based on the soft-lithography. The structure parameters of the microlens array are important for the refractive microlens arrays to enhance the external quantum efficiency of organic light-emitting devices.A theoretical model based on Tracepro is developed to simulate the effects and optimize the structure parameters of the microlens array.The external quantum efficiency of organic light-emitting devices with microlens arrays is measured in this paper and the efficiency enhancement is obtained.
Keywords:tracepro；efficiency；microlens
1介绍
有机电致发光(OLED)具有亮度高、材料选择范围宽、驱动电压低、全固化主动发光等特性,同时拥有高清晰、广视角、以及可顺畅显示动画的高速响应等优势,成为了最近十几年来相当热门的研究领域[1]。提高器件的外量子效率是提高器件性能的一个关键。近年来,科学家们对光输出和逃逸过程的分析及在此基础上进行的研究工作开始增多。很多研究成果表明，利用微透镜改变与空气接触的玻璃表面结构会显著提高器件的外量子效率[2~3]。Tracepro 是美国 Lambda Research 公司开发的一套用于照明系统、光学分析、辐射度分析及光度分析的光学仿真软件。它是第一套以 ACIS solid modeling kernel 为基础的光学软件，可以直接进行 3D 绘***建模, 并且兼容 ProE、Zemax 以及CodeV 等软件的模型文件，采用 Non- Sequential和 Monte Carlo 法进行光线仿真，对光线进行有效和准确地分析，能仿真所有类型的显示系统（从背光系统到光管、光纤、显示面板和 LCD 投影系统）[4]。比起传统的方法，Tracepro 在建立显示系统的原型时,时间上和成本上要大大减少。本文中的 OLED器件及其微透镜均使用Tracepro软件绘制，并利用该软件人为设置光线接收表面的方法获取相关设计数据。
2原理
有机电致发光器件的外量子效率ηqe可表示为：
ηqe=η1•η2•η3•η4(1)
式中：η1为注入载流子形成激子的效率；η2为激子生成能发光的激发单态或三重态的效率；η3为激发态发生辐射跃迁产生发光的效率；η4为器件输出的光子数与发光生光子数的比值；η1•η2•η3为内量子效率；η4为逃逸率。
近年来，高质量的有机EL的内量子效率在不断提高，但它的外量子效率却非常有限。这是由于η4非常低的缘故。造成这种情况的原因是多方面的，其中之一是由于器件内部产生的辐射，在向表面传播的过程中，要有一部分被吸收，在到达表面后,由于器件材料与周围介质的折射率不同，在界面处还要有一部分被反射。为了更有效地提高器件发光效率，对光从器件输出到空气这一过程的研究是必不可少的[5]。本文利用Tracepro对OLED进行了仿真，并通过改变玻璃表面微透镜形状来增加外量子效率，从而根据结果对微透镜进行改进。
3设计
本文利用单层OLED器件来进行微透镜的设计。单层OLED器件结构为玻璃（0.75mm）/ITO（100nm）/ Alq3（200nm）/ Al。
3.1理论基础
OLED器件发光机理是空穴和电子在发光层中复合发光，电能直接转换为光能。能够成为OLED外发射光的光子数决定了器件的外量子效率。电子和空穴复合产生的光能一部分通过各界面成为出射光，光能的损失由各界面透射率T决定；另一部分在经过距离x之后被吸收，这部分光能损失由参数exp(－αx)表示，α为吸收系数；还有一部分将通过波导效应被导走，或者被吸收，或者传向基板侧面，这部分损失由界面的全反射角θc决定。另外，通过Al层反射的光，也经历上述三过程，并增加Al层的反射损失。因此，将能成为外输出光的光通量与总光通量之比定义为光抽取因子F。忽略吸收损失和Al层的反射损失之后，因为nAlq3≈nTPD≈nITO，所以只需考虑ITO/玻璃界面(界面1)、玻璃/空气界面(界面2)光能的反射损失和光波导效应带来的损失，在界面2处的光抽取因子就是OLED总的抽取因子F，于是OLED结构简化为光线在界面1、2的透射率近似用垂直透射率T1、T2表示：
Ｔ = =99.2%(2)
Ｔ = =96%(3)
设发光点S发出的光各向同性，且发光光强为I0，总的光通量为P0，光线在界面1处的全反射角θc1=arcsin(nglass/nAlq3)=59.18°，在界面2处的全反射角θc2=arcsin(nair/nglass)=43°。
为了计算界面2的光抽取因子，考察从S点出发，与界面1成θ1角(θ1
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P ＝I(θ )dΩ = dφ I(θ )sinθ dθ （I(θ )=I ）(4)
可得I(θ )=I =P /4π(5)
根据光束能量相等原则：
T =2π•I(θ )•sinθ •dθ =2π•I(θ )•sinθ •dθ
(6)
所以 I(θ )=T • • (7)
根据折射定律
nglass•sinθ ＝nAlq•sinθ (8)
可得
= •cosθ (9)
综合以上各式，可以得出：
I(θ )=(10)
所以对应临界角θc2的立体角内的光能：
P2=2I(θ2)dΩ2=２I(θ )sinθ dθ2=18.95%(11)
进而可得：
F=T2•P2/P0=18.95%T2=18%(12)
3.2OLED器件建模
首先对OLED器件模型进行适当简化：将发光面定义为朗伯光源，不考虑器件本身的微腔效应等。然后利用Tracepro对OLED器件进行仿真：将发光面设定为1W，追踪光线为10000的朗伯光源，再对器件材料的折射率和吸收系数进行设定，分别对各个面进行设定，最后人为设置一个接收面。追踪光线轨迹，如***1所示 。
仿真结果――接受面上的光强分布如***2所示( 显示屏的混色效果与视角相关, 需要从色度和光强度两个方面进行分析。本文主要研究外量子效率，所以只对绿色OLED进行光线模拟。)
由***2可知，OLED外量子效率为16.657%，出射光为2，536条。因为考虑了器件本身对光子的吸收，所以外量子效率稍偏于其理论结果。
3.3利用Tracepro进行微透镜设计
以球微透镜为例，对利用Tracepro进行微透镜设计进行说明。在微透镜设计中主要考虑微透镜本身的形状和填充因子。利用Tracepro的Reptile可进行微透镜的尺寸和排列的设计。如***3所示：
先设计三种周期相同但径高比不同的球微透镜来进行比较：球微透镜一（球冠直径20μm，高7μm），球微透镜二（球冠直径20μm，高5μm），球微透镜二（球冠直径20μm，高3μm）。对三种模型进行仿真，得到外量子效率分别为：23.2%，21.6%，20.3%。
以微透镜二为例，来考虑填充因子对外量子效率的影响。同样制作三种周期不同的微透镜二进行比较：周期为30μm，周期为25μm，周期为22μm。可得到外量子效率分别为：21.6%，23.3%，24.1%。可见微透镜对外量子效率的影响很重要，对于周期为22μm的微透镜一，外量子效率高达24.1%。
以上主要是对利用Tracepro对OLED微透镜的设计进行了探索，实际制作中还要结合制作工艺对微透镜参数进行调整，比如用光刻胶热熔法制作微透镜会对微透镜的高度有一定限制[6]。
4结论
OLED微透镜设计的一大难点是如何定量分析微透镜尺寸及其形状对外量子效率的影响。虽然通过Tracepro进行设计并不能得到全部所需的性能数据，但正如本文所述，在局部设计环节，仿真技术可以为设计者提供有效的分析平台，在研发阶段就能预知其最终的显示效果，以降低风险、节约时间和资金。通过仿真，可以对优化器件结构有所帮助。在设计器件时根据需要预先对所设计的器件进行光输出的仿真，从而验证器件结构的合理性。这样不仅使设计的器件更精确，而且还节约了材料，避免了不必要的浪费。
参考文献
[1]Fududa Y, Watanabe T, Wakimoto T, Miyaguchi S,et al. Organic light-tmitting diodes using novel metal-chelate complexes[J].Synth Met, 2000,111~112(1):393~396.
[2]S. Tanaka*, Y. Kawakami, Y. Naito.Improvement of the External Extraction Efficiency of OLED by Using a Pyramid Array[J] . Proceedings of SPIE Vol. 5519 ,2004.
[3]Huajun Peng, Yeuk Lung Ho, Xing-Jie Yu, Man Wong.Coupling Efficiency Enhancement in Organic Light-Emitting Devices Using Microlens Array-Theory and Experiment[J]. Journal of display technology, vol. 1, no. 2, December 2005
[4]Tracepro User's Manual 3.0.
[5]Miao He, Jing Bu, Biow Hiem Ong, and Xiaocong Yuan.Two-Microlens Coupling Scheme With Revolved Hyperboloid Sol-Gel Microlens Arrays for High-Power-Efficiency Optical Coupling[J].Journal of lightwave technology, vol. 24, no. 7, July 2006.
[6]任智斌.折射型微透镜及微透镜阵列光学性质与制作技术的研究[D].中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，2004.省略。
注：本文中所涉及到的***表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。
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