【自有技术大讲堂】微透镜介绍

微透镜阵列又称为蝇眼透镜、复眼透镜，它是为光学系统重要而又基础的构成元件，一般有一系列的微小单元透镜按一定的排列构成。不同的排列可以形成有不同的成像结果。一般子单元的周期大小在几十um到几千um左右，单元的形状圆形，正方形，自由曲面，六边形以及四方形等等其他形状。

 

 

按照微透镜的光学设计原理，我们可以讲微透镜阵列分为折射型以及衍射型。

 

折射型微透镜

 

基于传统的几何光学的折射原理具有轻小，高集成度的优势。其应用主要有成像以及光束变换，光通讯、医疗、医美和过光束扫描等，常见的透镜口径直径有方形、矩形、六边形和圆形等。

 

衍射型微透镜阵列

 

利用表面浮雕结构调制改变入射光的波相位实现目标功能。其主要解决的问题是高阶像差的矫正，任意光分布的光斑形状调制和光通讯以及医疗美容等各个领域。

 

微透镜阵列的应用以及分布方式

 

基于折射型的微透镜在排布上的不同可应用于各种不同的光学应用上，其主要分为满布式，M*N式分布，单排式和单格式排列，下面主要介绍不同排列的特点以及不同排列的主要应用场景。

 

 

微透镜阵列的加工工艺

 

而今，工业上研究室已经有许多的制造微阵列透镜的方法，主要的有光敏玻璃热成型法、激光直写方法、光刻胶热回流方法、反应离子刻蚀法、热压模成型法等许多的方法，本文主要为大家介绍一下主要的较广泛应用的方法。

 

光刻胶热回流技术

 

方法主要分为三个步骤：1、以目标图案为曝光团（正六边形，矩形或者圆形）利用掩模板的遮蔽使基板的光刻胶曝光。2、清洗残留杂物。3、在加热平台上和加热，使之热熔成型。

 

优点：工艺简单，材料以及设备的要求低，易于扩大化生产和控制工艺参数。

 

缺点：制作的成品，会由于工艺上的本身存在的问题，制作的微透镜并不是很理想。其次，由于材料的机械性能以及化学性能问题导致其光学性能并不是很好。

 

激光直写技术

 

激光直写方法主要有如下的步骤：1、计算机上设计微透镜阵列的曝光结构2、设计图案写入激光直写系统中3、带有光刻胶的基板放在直写平台上，进行激光刻写，刻写后清理表面残留物。得到阵列结构。

 

其优点是：精度高，适合于模型制作，便于扩大生产，降低成本。

 

石英微透镜阵列的制作

 

光致抗蚀剂微透镜图形阵列的制备：

大致过程如下：选择衬底材料，准备衬底材料，在石英基片上匀胶，可以选择利用多重旋转离心发匀胶，利用紫外光在光刻胶上制备光致抗蚀掩膜版，之后利用铬板曝光，显影冲洗后可得到掩模版的图形。对得到的掩模版图形热处理，表面被抗刻蚀剂图案覆盖的石英片被加热到光致刻蚀剂熔融区域的某温度时由于表面的张力不同，致使抗刻蚀剂间的界面张力作用下，同时控制温度使表面形成长方形的拱面的光致刻蚀微透镜图形。

 

石英微透镜阵列利用氩离子束进行刻蚀的方法：

利用带有能量的离子束在靶材料的表面进行轰击的溅射刻蚀技术称为离子刻蚀。可以了解到，离子束的刻蚀速度与材料的选择，离子束携带能量的大小以及刻蚀时的角度的选择等等的各种因素密切相关。研究发现，石英的刻蚀速度比光刻胶制成的掩模版图形高出一点，并且较大的可是速度也较大于所选择的光致抗刻蚀剂掩膜的图案。峰值出现的角度也会随着轰击离子束的能量增大而增大。因此优化离子刻蚀束的条件可以实现光致刻蚀图形向石英基片的有效转移。

 

微透镜整列的重要应用

 

哈特曼传感器（Hartmann-Shack）：

夏克-哈特曼传感器是一种波前传感器。这种波前分析仪是自适应光学系统的组成部分。可以探测光波前的变化，畸变。其使用微透镜阵列使输入的光波前被分割成光束阵列，分割后每束光聚焦在CCD传感器上，如下图所示，每个微透镜单元都会形成一个聚焦光斑，由聚焦光斑的分布可分析波前畸变。

 

 

波前畸变将会引起聚焦光斑的在光轴上的偏移，因此成像将会从规则的光斑，变为混杂和缺实的光斑图案。这些信息利用光学知识可计算得到入射到微透镜阵列的波前形状。所以，这种传感器可用于光学系统性能的表征，实时监测，用于控制自适应光学元件成像前的波前畸变。

 

如下图所示，在每个单元的微透镜中，如果入射光没有畸变波面平行于透镜入射，则由几何光学可知光落在光轴的焦平面处，当入射的光在微透镜单元区发生畸变（不平行于透镜），光斑位置将在焦平面的X和Y方向（红点显示）有所偏移，所以每个光斑将以θ角偏离其相应的微透镜的光轴Z。并且该角度θ即平面波前与透镜间的角度和畸变波前和z轴夹角相同。

 

 

微透镜光束整形，匀光微透镜阵列

 

爱特蒙特公司（Edmund）的一种利用微透镜阵列光束匀化的原理。

 

该方法配置主要是一堆微透镜阵列和平凸透镜组成。图中可知，LA2位于LA1的焦平面。当光在LA1通过后形成多束小点光源的光束。之后通过微透镜阵列LA2和平凸透镜FL组合而成的物镜阵列3，其将每一个小光束并叠加到平面FP上。

 

 

索雷博（Thorlab）公司的一种微透镜阵列光束匀化的应用方法

 

 

由上图所示，是Thorlabs公司用于微透镜激光匀化的原理图，由两个平凸透镜和一个微透镜阵列组成。点光源在如图所示的透镜下准直变为平行光输入到微阵列透镜，微透镜阵列讲平行光转化为多束小光束，并沿光轴传输到*二个平凸透镜，每个小光束别家在工作面上，形成均匀的光斑。

 

光斑的大小可以有下面公式计算得出

S≈PMLA*F/fMLA

 

微透镜光纤耦合

 

激光与光纤耦合就是将激光入射到光纤中但如果要获得较高的耦合效率需要有两个条件，一个是激光直径小于光纤的直径，另一个是激光的发散角度要小于光纤的孔径角。激光与光纤的耦合方式有直接耦合，其优点在于设计点但耦合效率过低，目前仅在激光传输过程有应用。光纤微透镜直接耦合，也即将光纤的端头制作成球透镜，实现增大光纤的数值孔径。间接耦合主要有柱透镜耦合，自聚焦透镜耦合，组合透镜耦合。阵列耦合主要是将阵列的光源与光纤一一对应，较高的耦合效率以及亮度。

 

基于微透镜阵列的激光耦合简要原理

 

不同激光器在经过合束排列后主光线空间上仍有间距的分布，每束激光具有一定的发散角，如下图所示使用倒置前置放大系统压缩激光的合束和直径以及每束激光的直径，显然合理设计微透镜的排列以及单元的各个参数，使每一个微透镜单位与每个光纤头端面一一对应，同时控制成像范围小于光纤纤芯直径，可以使入瞳像成像在光纤端面上。这样便可以将激光每一束对应的入射到每一个激光光纤中。

 

 

微透镜阵列主要研究单位

 

微透镜整列由于其使用上具有许多的功能并且依据设计的不同可以实现各种各样不同的功能，如激光光斑整形，激光匀化，哈特曼传感器以及激光耦合等就是其主要的应用的优势，国内也有许多的研究机构对微透镜阵列的制造，设计及应用方面都有很多的研究。

 

目前，国内在微透镜阵列的开发、设计和应用方法处于良好地位的单位有：中国科学院长春光学精密研究所、中科院光电技术研究所、中科院半导体所、北京理工大学、华中科技大学和长春理工大学。研究领域涵盖玻璃微透镜阵列精密模压成形表、微透镜阵列的生产制造、仿生复眼透镜、制备微透镜的关键材料（光刻胶）光刻胶等领域。

 

微透镜阵列的数值孔径

 

光学系统中数值孔径是用来衡量系统接受光角度的大小的一个参数，在光纤系统中它则是衡量光出射光纤时的锥角大小，它是一个无量纲。它的定义: 数值孔径（NA）等于透镜和被检物体之间介质的折射率乘上孔径角半数的正弦。公式有：NA = n*sin（α）。孔径角也即“镜口角”。孔径角越大，则进入透镜的光通量就越大，故而它与透镜的有效直径成正比，与焦点的距离成反比。

 

微透镜的数值孔径则是这样定义的：子单元的对角线的一  半（圆形子单元按半径计算）/焦距，微透镜阵列的数值孔径与普通透镜的数值孔径一样它是衡量透镜对入射光的光角度接受大小的一个标准。

 

参考文献

[1] 梁传样.激光投影显示光学系统关键技术研究[D].长春：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，2017.

[2] 包海廷. 基于DOE光场整形系统的设计与制作[D]. 长春: 长春理工大学, 2016.