Comparison of energy distribution between incident light and spot array at focal plane

（Left-handed circular polarized light incidence）

LBTEK 平板微透镜阵列——技术说明

一、定义

LBTEK液晶聚合物微透镜阵列（MLA）是一种基于液晶聚合物的衍射光学原理实现激光匀束、光束整形的平板光学元件，由聚合物薄膜和单片N-BK7窗口片组成，聚合物薄膜上的阵列式相位分布实现MLA功能。其出射光束形态与微透镜单元的各项参数相关，通过调整微透镜单元的相位周期及轮廓，能够灵活控制出射光束的发散角大小和光斑形状，实现多种不同形状及大小的激光匀束和光束整形需求。

1. 微透镜单元轮廓与射束形状

   MLA中微透镜单元的轮廓决定了其出射光束的形状。

2. 微透镜单元相位周期与射束发散角

MLA中微透镜单元的边缘相位周期决定了其出射光束的发散角。

此处所说的微透镜单元边缘相位周期，指微透镜单元外切圆圆周处的相位周期。

3. MLA的偏振特性

对于理想的MLA：

l  当入射光为非偏振光或线性偏振光时，其匀光射束由±1级出射光组成，且±1级出射光分别为发散的左旋圆偏振光和会聚的右旋圆偏振光；

l  当入射光为右旋圆偏振光时，其匀光射束由+1级出射光组成，为发散的左旋圆偏振光；

l  当入射光为左旋圆偏振光时，其匀光射束由-1级出射光组成，为会聚的右旋圆偏振光；

l  当入射光为椭圆偏振光时，其匀光射束由±1级出射光组成，且±1级出射光光强比值与入射光椭偏度相关。

MLA的偏振特性可以帮助实现对于偏振态有特定要求的光束整形场景。实际的MLA在使用时会存在除±1级以外的其他衍射光，但其他各级衍射光的能量之和小于2%。

二、特点

1.   衍射效率>98%

2.   工作波长可设计

3.   出射光束发散角可设计

4.   出射光束轮廓形状可设计

三、说明

1. 出射光束发散角与微透镜单元边缘相位周期的关系

理想情况下，正入射时，MLA出射光束发散角θ（半角）与微透镜单元边缘相位周期（外切圆圆周处相位周期）p₀及工作波长λ的关系为：

当光束入射方向为斜入射，MLA出射光束发散角会随斜入射角度的改变而发生变化。

2. 出射光束发散角测量方法

如图，MLA到光束截面处的距离为L，光束截面上所截得的光斑的外切圆直径为D，出射光束发散角为θ。根据三角关系：

即可得到出射光束发散角大小。

3.
出射光束发散角与微透镜单元焦距、F数的关系

由图，分析微透镜单元边缘处的会聚光线，根据三角关系：

其中，θ为出射光束发散角，d为微透镜单元外切圆直径，f为微透镜单元焦距，F^#为微透镜单元F数。

LBTEK 平板微透镜阵列——应用案例

1.光束整形：

MLA中微透镜单元的轮廓决定了其出射光束的形状；MLA中微透镜单元的边缘相位周期决定了其出射光束的发散角。

2.激光匀束：

激光光源经过扩束准直后，平行入射。平行入射的激光束，打在第一面MLA上，经过每个子单元的聚焦，重新形成阵列排布的焦点。可近似地将入射的光束，看成对应于透镜阵列的光束簇阵列。重新聚焦后的多个小光束相互叠加，基于阵列排布的对称性，也即出射小光束的对称性，小光束的不均匀性相互抵消，最终在接收屏幕上形成均匀的目标光斑。

3.光纤耦合：

光源入射到单元MLA后，其中的左旋圆偏振分量发生会聚，聚焦于一点。整个光束入射到MLA，便在焦平面上形成点阵。焦平面位置即为光纤阵列安装位置，每个光点由此入射到对应的光纤中，在光纤内进行传输。

 4.波前传感：

待测波前经过MLA后，整个光束分化成若干局部光束，并各自携带了相应的斜率信息，通过探测该信息，能够实时测量光强、位相、像差、 PST 、 MTF 和其它参数。

5.光场相机：

光线通过主镜头后，打到MLA上，并再次成像。置于MLA后的像素，尽管仍然只记录了光线的强度信息，但却因其相对于某个微透镜的位置而记录了光线的方向信息。这样，通过利用微透镜阵列和光电传感器，便记录了通过主透镜的所有光线。在后期处理时，只需要对光线重新追迹即可完成重聚焦。光场相机相当于直接记录了四维光场，不同焦深的图像只不过是在做不同情况下的二维积分。