微透鏡陣列的原理和制作工藝

微透鏡陣列的數(shù)值孔徑

光學(xué)系統(tǒng)中數(shù)值孔徑是用來(lái)衡量系統(tǒng)接受光角度的大小的一個(gè)參數(shù)，在光纖系統(tǒng)中它則是衡量光出射光纖時(shí)的錐角大小，它是一個(gè)無(wú)量綱。它的定義: 數(shù)值孔徑（NA）等于透鏡和被檢物體之間介質(zhì)的折射率乘上孔徑角半數(shù)的正弦。公式有：NA = n*sin（α）。孔徑角也即“鏡口角”?？讖浇窃酱?，則進(jìn)入透鏡的光通量就越大，故而它與透鏡的有效直徑成正比，與焦點(diǎn)的距離成反比。

微透鏡的數(shù)值孔徑則是這樣定義的：子單元的對(duì)角線的一半（圓形子單元按半徑計(jì)算）/焦距，微透鏡陣列的數(shù)值孔徑與普通透鏡的數(shù)值孔徑一樣它是衡量透鏡對(duì)入射光的光角度接受大小的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。

微透鏡陣列又稱為蠅眼透鏡、復(fù)眼透鏡，它是為光學(xué)系統(tǒng)重要而又基礎(chǔ)的構(gòu)成元件，一般有一系列的微小單元透鏡按一定的排列構(gòu)成。不同的排列可以形成有不同的成像結(jié)果。一般子單元的周期大小在幾十um到幾千um左右，單元的形狀圓形，正方形，自由曲面，六邊形以及四方形等等其他形狀。

按照微透鏡的光學(xué)設(shè)計(jì)原理，我們可以講微透鏡陣列分為衍射型以及折射型：

折射型微透鏡：

基于傳統(tǒng)的幾何光學(xué)的折射原理具有更輕，更小，高集成度的優(yōu)勢(shì)。其應(yīng)用主要有成像以及光束變換，光通訊，醫(yī)療，醫(yī)美和過(guò)光束掃描等，常見的透鏡口徑直徑有方形，矩形，六邊形和圓形等。

衍射型微透鏡陣列：

利用表面浮雕結(jié)構(gòu)調(diào)制改變?nèi)肷涔獾牟ㄏ辔粚?shí)現(xiàn)目標(biāo)功能。其主要解決的問(wèn)題是高階像差的矯正，任意光分布的光斑形狀調(diào)制和光通訊以及醫(yī)療美容等各個(gè)領(lǐng)域。

微透鏡陣列的應(yīng)用以及分布方式

基于折射型的微透鏡在排布上的不同可應(yīng)用于各種不同的光學(xué)應(yīng)用上，其主要分為滿布式，M*N式分布，單排式和單格式排列，下面主要介紹不同排列的特點(diǎn)以及不同排列的主要應(yīng)用場(chǎng)景。

微透鏡陣列的原理和制作工藝

而今，工業(yè)上研究室已經(jīng)有許多的制造微陣列透鏡的方法，主要的有光敏玻璃熱成型法、激光直寫方法、光刻膠熱回流方法、反應(yīng)離子刻蝕法、熱壓模成型法等許多的方法，本文主要為大家介紹一下主要的較廣泛應(yīng)用的方法。

光刻膠熱回流技術(shù)

方法主要分為三個(gè)步驟：1、以目標(biāo)圖案為曝光團(tuán)（正六邊形，矩形或者圓形）利用掩模板的遮蔽使基板的光刻膠曝光。2、清洗殘留雜物。3、在加熱平臺(tái)上和加熱，使之熱熔成型。

優(yōu)點(diǎn)：工藝簡(jiǎn)單，材料以及設(shè)備的要求低，易于擴(kuò)大化生產(chǎn)和控制工藝參數(shù)

缺點(diǎn)：制作的成品，會(huì)由于工藝上的本身存在的問(wèn)題，制作的微透鏡并不是很理想。其次，由于材料的機(jī)械性能以及化學(xué)性能問(wèn)題導(dǎo)致其光學(xué)性能并不是很好；

激光直寫技術(shù)

激光直寫方法主要有如下的步驟：1、計(jì)算機(jī)上設(shè)計(jì)微透鏡陣列的曝光結(jié)構(gòu)2、設(shè)計(jì)圖案寫入激光直寫系統(tǒng)中3、帶有光刻膠的基板放在直寫平臺(tái)上，進(jìn)行激光刻寫，刻寫后清理表面殘留物。得到陣列結(jié)構(gòu)。

其優(yōu)點(diǎn)是：精度高，適合于模型制作，便于擴(kuò)大生產(chǎn)，高品質(zhì)低成本

石英微透鏡陣列的制作

光致抗蝕劑微透鏡圖形陣列的制備

大致過(guò)程如下：選擇襯底材料，準(zhǔn)備襯底材料，在石英基片上勻膠，可以選擇利用多重旋轉(zhuǎn)離心發(fā)勻膠，利用紫外光在光刻膠上制備光致抗蝕掩膜版，之后利用鉻板曝光，顯影沖洗后可得到掩模版的圖形。對(duì)得到的掩模版圖形熱處理，表面被抗刻蝕劑圖案覆蓋的石英片被加熱到光致刻蝕劑熔融區(qū)域的某溫度時(shí)由于表面的張力不同，致使抗刻蝕劑間的界面張力作用下，同時(shí)控制溫度使表面形成長(zhǎng)方形的拱面的光致刻蝕微透鏡圖形。

石英微透鏡陣列利用氬離子束進(jìn)行刻蝕的方法

利用帶有能量的離子束在靶材料的表面進(jìn)行轟擊的濺射刻蝕技術(shù)稱為離子刻蝕?？梢粤私獾?，離子束的刻蝕速度與材料的選擇，離子束攜帶能量的大小以及刻蝕時(shí)的角度的選擇等等的各種因素密切相關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)，石英的刻蝕速度比光刻膠制成的掩模版圖形高出一點(diǎn)，并且大的可是速度也較大于所選擇的光致抗刻蝕劑掩膜的圖案。峰值出現(xiàn)的角度也會(huì)隨著轟擊離子束的能量增大而增大。因此優(yōu)化離子刻蝕束的條件可以實(shí)現(xiàn)光致刻蝕圖形向石英基片的有效轉(zhuǎn)移。

微透鏡整列的重要應(yīng)用

哈特曼傳感器（Hartmann-Shack）

    夏克-哈特曼傳感器是一種波前傳感器。這種波前分析儀是自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的組成部分。可以探測(cè)光波前的變化，畸變。其使用微透鏡陣列使輸入的光波前被分割成光束陣列，分割后每束光聚焦在CCD傳感器上，如下圖所示，每個(gè)微透鏡單元都會(huì)形成一個(gè)聚焦光斑，由聚焦光斑的分布可分析波前畸變。

波前畸變將會(huì)引起聚焦光斑的在光軸上的偏移，因此成像將會(huì)從規(guī)則的光斑，變?yōu)榛祀s和缺實(shí)的光斑圖案。這些信息利用光學(xué)知識(shí)可計(jì)算得到入射到微透鏡陣列的波前形狀。所以，這種傳感器可用于光學(xué)系統(tǒng)性能的表征，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，用于控制自適應(yīng)光學(xué)元件成像前的波前畸變。

如下圖所示，在每個(gè)單元的微透鏡中，如果入射光沒(méi)有畸變波面平行于透鏡入射，則由幾何光學(xué)可知光落在光軸的焦平面處，當(dāng)入射的光在微透鏡單元區(qū)發(fā)生畸變（不平行于透鏡），光斑位置將在焦平面的X和Y方向（紅點(diǎn)顯示）有所偏移，所以每個(gè)光斑將以θ角偏離其相應(yīng)的微透鏡的光軸Z。并且該角度θ即平面波前與透鏡間的角度和畸變波前和z軸夾角相同。

微透鏡光束整形，勻光微透鏡陣列

愛特蒙特公司（Edmund）的一種利用微透鏡陣列光束勻化的原理

該方法配置主要是一堆微透鏡陣列和平凸透鏡組成。圖中可知，LA2位于LA1的焦平面。當(dāng)光在LA1通過(guò)后形成多束小點(diǎn)光源的光束。之后通過(guò)微透鏡陣列LA2和平凸透鏡FL組合而成的物鏡陣列3，其將每一個(gè)小光束并疊加到平面FP上。

索雷博（Thorlab）公司的一種微透鏡陣列光束勻化的應(yīng)用方法

由上圖所示，是Thorlabs公司用于微透鏡激光勻化的原理圖，由兩個(gè)平凸透鏡和一個(gè)微透鏡陣列組成。點(diǎn)光源在如圖所示的透鏡下準(zhǔn)直變?yōu)槠叫泄廨斎氲轿㈥嚵型哥R，微透鏡陣列講平行光轉(zhuǎn)化為多束小光束，并沿光軸傳輸?shù)降诙€(gè)平凸透鏡，每個(gè)小光束別家在工作面上，形成均勻的光斑。

光斑的大小可以有下面公式計(jì)算得出

S≈P_MLA*F/f_MLA

微透鏡光纖耦合

激光與光纖耦合就是將激光入射到光纖中但如果要獲得較高的耦合效率需要有兩個(gè)條件，一個(gè)是激光直徑小于光纖的直徑，另一個(gè)是激光的發(fā)散角度要小于光纖的孔徑角。激光與光纖的耦合方式有直接耦合，其優(yōu)點(diǎn)在于設(shè)計(jì)點(diǎn)但耦合效率過(guò)低，目前僅在激光傳輸過(guò)程有應(yīng)用。光纖微透鏡直接耦合，也即將光纖的端頭制作成球透鏡，實(shí)現(xiàn)增大光纖的數(shù)值孔徑。間接耦合主要有柱透鏡耦合，自聚焦透鏡耦合，組合透鏡耦合。陣列耦合主要是將陣列的光源與光纖一一對(duì)應(yīng)，保證高的耦合效率以及精準(zhǔn)度。

基于微透鏡陣列的激光耦合簡(jiǎn)要原理

不同激光器在經(jīng)過(guò)合束排列后主光線空間上仍有間距的分布，每束激光具有一定的發(fā)散角，如下圖所示使用倒置前置放大系統(tǒng)壓縮激光的合束和直徑以及每束激光的直徑，顯然合理設(shè)計(jì)微透鏡的排列以及單元的各個(gè)參數(shù)，使每一個(gè)微透鏡單位與每個(gè)光纖頭端面一一對(duì)應(yīng)，同時(shí)控制成像范圍小于光纖纖芯直徑，可以使入瞳像成像在光纖端面上。這樣便可以將激光每一束對(duì)應(yīng)的入射到每一個(gè)激光光纖中

微透鏡陣列主要研究單位

微透鏡整列由于其使用上具有許多的功能并且依據(jù)設(shè)計(jì)的不同可以實(shí)現(xiàn)各種各樣不同的功能，如激光光斑整形，激光勻化，哈特曼傳感器以及激光耦合等就是其主要的應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)，國(guó)內(nèi)也有許多的研究機(jī)構(gòu)對(duì)微透鏡陣列的制造，設(shè)計(jì)及應(yīng)用方面都有很多的研究。

目前，國(guó)內(nèi)在微透鏡陣列的原理和制作工藝研究處于*地位的單位有：*長(zhǎng)春光學(xué)精密研究所、中科院光電技術(shù)研究所、中科院半導(dǎo)體所、北京理工大學(xué)、華中科技大學(xué)和長(zhǎng)春理工大學(xué)。研究領(lǐng)域涵蓋玻璃微透鏡陣列精密模壓成形表、微透鏡陣列的生產(chǎn)制造、仿生復(fù)眼透鏡、制備微透鏡的關(guān)鍵材料（光刻膠）光刻膠等領(lǐng)域。