LBTEK平板微透镜阵列(microlens array,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,利用液晶聚合物薄膜上的阵列式相位分布实现微透镜阵列功能。
· 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;
· 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;
· 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;
· 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。
平板微透镜阵列的特殊结构和特性使其适用多种应用场景。
·— 光束整形 —·
光束整形是MLA的基本功能之一,MLA中微透镜单元的轮廓决定了其出射光束的形状,轮廓可任意设计,即出射光束形状可以是任意的。相较于传统的光束整形方法,平板微透镜阵列的优点不仅在于对出射光束的形状调控灵活,而且,体积更小,也无需其他配件辅助,更适合搭建紧凑型系统。
·— 激光匀束 —·
利用微透镜阵列可以搭建两种匀束器:非成像和成像匀束器。这两种类型的匀束器工作原理不同。
单个MLA与一个傅立叶透镜配合使用,属于非成像匀束器。经过扩束准直后的平行激光束,可近似看成对应于透镜阵列的光束簇阵列(认为MLA透镜单元区域的光束是均匀的),每个小光束经过对应微透镜单元的相同位置,其出射光总是平行的,再经过FL的出射光将聚焦,这样,多个小光束的焦点叠加,最终在接收面上形成均匀的目标光斑。
两个MLA与一个傅立叶透镜配合使用,属于成像匀束器。利用微透镜阵列构成了许多平行的科勒照明,MLA1将入射光分割为多束子光束,MLA2与FL结合,相当于将MLA1的每个子光束通过阵列的物镜叠加到接收面上,此时MLA1的孔径被成像到接收面上。这样,经过扩束准直的平行光入射时,因光束在MLA1上的分布是均匀的,那么在接收面上的图样也是均匀的。
·— 光纤耦合 —·
·— 波前传感 —·
光束经过MLA后,整个光束分化成若干局部光束,每个微透镜单元生成单个焦点,平行光经过MLA后在传感器上的图样是规则分布的焦点阵列,而畸变波前生成的焦点阵列则是分布不均的,甚至有可能出现缺失焦点,通过探测各个焦点的位移信息(斜率信息),可通过算法得到光强、位相、像差、PST 、MTF和其它参数。
·— 光场相机 —·
光线通过主镜头后,入射到MLA上,并再次成像。置于MLA后的传感器,尽管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。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。在后期处理时,只需要对光线重新追迹即可完成重聚焦。
平板微透镜阵列参数设计灵活,且无球差,具有较高的衍射效率和透过率,平板结构可以缩小系统体积,其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,在波前传感、光聚能、光整形等多种系统中可得到广泛应用,在光信息处理、光互连、光计算、图像扫描仪、光场相机、医疗器械、3D成像和显示等领域中,亦有巨大发展潜力。