微透镜阵列

微透镜阵列的每一个单元是由直径从几百纳米到几毫米的子透镜在基板上按一定排列顺序组成的，阵列数目从几千到几万不等。由于微透镜阵列中的每一个子透镜都拥有唯一的光轴，若所有子透镜的参数相同，则他们的光学性能都应相同，而将所有的单元结构作为一个阵列整体时，又拥有一个主光轴。因此与传统的单透镜相比，微透镜阵列拥有极高的并行性，每个子透镜可以相互独立的传输光学信号，互不干扰，就相当于存在着大量的二维并行光路，每个子透镜都具有对光信息进行传输、变换成像等功能。

1.微透镜阵列的分类

微透镜阵列根据外形的不同，可分为平面微透镜阵列和曲面微透镜阵列，平面微透镜阵列较为常见，每个子透镜光轴均为平行，如应用在光场相机和一些 CCD 传感器中的微透镜阵列；昆虫的复眼结构就是典型的曲面微透镜阵列，具有大视角，高分辨率等优点。除却外形分类方法，还可以依据光的折射和衍射原理将微透镜阵列分为折射型微透镜阵列以及衍射型微透镜阵列，其中子透镜表面呈现光滑且连续状的多为折射型微透镜阵列，在成像显示、光束准直、光互联以及微扫描等方面有较多的应用；而表面呈现浮雕结构的往往是衍射型微透镜阵列，在图像识别与处理、电光探测器、空间光学等领域有较多的应用。如图1所示为微透镜为圆形的平面微透镜阵列结构示意图，其主要结构参数有阵列周期p、阵列厚度t、阵列尺寸L×W、微透镜（子透镜）焦距f。其中，阵列周期p为相邻的两个微透镜光轴的距离。

图1.平面微透镜阵列结构示意图。

2.微透镜阵列的制造

目前微透镜阵列的制作方法主要有光刻胶熔融技术、反应离子束刻蚀技术、微喷打印技术、激光直写技术、电润湿成型技术和纳米压印技术等。

表1 微透镜阵列制作方法的比较

3.平面微透镜的应用

微透镜列阵具有聚焦、成像等基本功能，单元尺寸小、集成度高，能构成许多新型的光学系统，主要用于Shack-Hartmann波前传感、红外焦平面探测或CCD列阵光聚能、激光列阵扫描、激光显示、光纤耦合、光束匀化、光束整形等系统。下面针对Shack-Hartmann波前传感、激光列阵扫描、光束匀化三个方面的应用进行简要介绍。

3.1 Shack-Hartmann波前传感系统

如图2所示为Shack-Hartmann波前传感系统原理示意图，①为理想的平面波前，②为微透镜阵列，③为CCD传感器，④为发生畸变的波前。通过调整微透镜阵列和CCD的相对位姿（即使CCD传感器位于微透镜阵列的焦平面，且CCD传感器的每一块感光区域的中心在与之对应的微透镜的光轴上），可以使理想的平面波前聚焦在CCD传感器各块感光区域的中心。如果入射光不是理想平面波前，则CCD传感器上的焦点位置会移动甚至消失。

图2.Shack-Hartmann波前传感系统原理示意图。

3.2 激光列阵扫描系统

微透镜阵列用于扫描光学系统时，主要是基于开普勒或伽利略望远结构。如图2所示为伽利略式微透镜阵列扫描原理，当负微透镜阵列在垂直于光轴的方向发生相对位移时，其出射光束就会发生偏转，负微透镜阵列的移动距离决定了偏转角的大小。负微透镜阵列的移动距离受到以下两方面的限制：

(1) 负微透镜阵列在横向移动的过程中，必须保证通过其对应的正微透镜的光束不会从自己之外的负微透镜出射，否则将造成出射光束的串扰。

(2) 为了确保了入射准直光束经过微透镜阵列出射时不会发散，需要保证正负微透镜阵列的焦平面需要重合，即正负微透镜的焦距确定了两个微透镜阵列的相对位置。

图3.伽利略式微透镜阵列扫描原理示意图。

3.3 匀光系统

半导体激光器具有高效率、小体积、低成本、高可靠性等优点，在工业、军事、医疗等领域有着广泛的应用。均匀照明是实现这些应用的关键手段，尤其是激光泵浦、激光加工等对光束均匀性有着严格的要求。而半导体激光器的激光光束均匀性较差，呈高斯分布，需要通过光学系统使其均匀化。

微透镜阵列对激光光束有扩束均匀化的作用。如图3所示为微透镜阵列均匀化光束的原理图，由微透镜阵列和焦距为f的傅里叶透镜组成。微透镜阵列均匀化光束是一个先微分后积分的过程，首先微透镜阵列将入射光束分割成很多个小单元，光束在每个单元的能量分布可以近似看成是均匀分布的，而每一个微透镜对应的光束都会在傅里叶透镜后焦面均匀分布。透过各个微透镜的光束在傅里叶透镜后焦面叠加，完成光束均匀化。

图4.微透镜阵列均匀化光束的原理图。