为什么要使用微透镜阵列（3分钟了解微透镜阵列）
为什么要使用微透镜阵列（3分钟了解微透镜阵列）衍射型 (DOE)微透镜阵列：图2 折射型 (ROE）微透镜阵列微透镜阵列可分为折射型微透镜阵列与衍射型微透镜阵列两类。折射型 (ROE）微透镜阵列：基于几何光学的折射原理，光在两种透明介质交界处（如空气和玻璃），将向折射率高的区域弯折。材料的折射率越高，入射光发生折射的能力越强。通过这个原理，将一个完整的激光波前在空间上分成许多微小的部分，每一部分被相应的小透镜聚焦在焦平面上，光斑进行重叠，从而实现在特定区域将光均匀化，对激光束精确整形。其应用主要有光斑整形和光束转化。
微透镜阵列是由通光孔径及浮雕深度为微米级的透镜组成的阵列。它和传统透镜一样，最小功能单元也可以是球面镜、非球面镜、柱镜、棱镜等，同样能在微光学角度实现聚焦、成像，光束变换等功能，而且因为单元尺寸小、集成度高，使得它能构成许多新型的光学系统，完成传统光学元件无法完成的功能。
图1 一个集成12个微透镜的微光学元件（左）；两个集成40个透镜的微光学组件（右）。
微透镜阵列的结构从最小功能单元的排列方法可分为单排式、M*N排列、满布式等，同时可分为单面阵列和双面阵列。
表1 阵列分布类型、特点和主要应用
微透镜阵列可分为折射型微透镜阵列与衍射型微透镜阵列两类。
折射型 (ROE）微透镜阵列：
基于几何光学的折射原理，光在两种透明介质交界处（如空气和玻璃），将向折射率高的区域弯折。材料的折射率越高，入射光发生折射的能力越强。通过这个原理，将一个完整的激光波前在空间上分成许多微小的部分，每一部分被相应的小透镜聚焦在焦平面上，光斑进行重叠，从而实现在特定区域将光均匀化，对激光束精确整形。其应用主要有光斑整形和光束转化。
图2 折射型 (ROE）微透镜阵列
衍射型 (DOE)微透镜阵列：
基于物理光学的衍射原理，光被透镜阵列的表面浮雕结构调制改变了波前相位，从而实现了光波的调制、变换。激光经过每个衍射单元后发生衍射，并在一定距离（通常为无穷远或透镜焦平面）处产生干涉，形成特定的光强分布。
主要应用在光通讯以及医疗美容等领域，解决高阶像差矫正、任意光分布的光斑形状调制等问题。根据不同的用途，DOE通常可以分为光束整形、分束、结构光、多焦、其他特殊光束产生等种类。
图3 衍射型 (DOE）微透镜阵列
其使用时的限制：
1）衍射光学元件对入射光的角度敏感，需要较好的光路调整精度和稳定性；
2）大部分衍射光学元件对入射激光的波前位相进行精密调控，因此光路中的其他部件如反/ 透射镜片、透镜等要使用高精度、低波差的器件，否则会影响最终的效果。
图4 几何光学（左）；物理光学（右）。
微透镜阵列的加工工艺
行业上有许多制造微透镜阵列的方法，主要有两种方法：
1）使用半导体晶圆工艺--晶圆级光学镜头（WLO）和晶圆级玻璃（WLG）
WLO（Wafer Level Optics，晶圆级光学镜头）采用晶圆和特殊液体聚合物作为光学材料，被苹果选为 iPhone X 的镜头方案。目前大部分 WLO 专利都在 Heptagon（已被 AMS 收购）手中，形成了非常高的壁垒，苹果 iPhone X 所使用的 WLO 就是由 Heptagon 所提供。
图5 微透镜阵列
微透镜提供长焦深，从而允许将图像投影到平行、倾斜或弯曲表面上；相邻排列的微透镜可以重叠汇焦，应用在超小型投影机中，在极小的空间尺寸里形成高亮度的图案。
WLG (Wafer Level Glass 晶圆级玻璃) 采用半导体级工艺生产微透镜阵列，具有良好的耐热性，可能在未来取代 WLO 成为微透镜阵列首选方案，目前 WLG 方案进展最快的厂商是炬光科技（2017年炬光科技收购德国微光学公司LIMO）。公司采用一次成型晶圆级冷加工和精密抛光技术，使每个微透镜的形状和位置具有纳米级别的良好一致性。
批量生产出的微透镜阵列光斑尺寸接近衍射极限，从而实现最高90%的光能利用率，实现精准激光应用目的。与一些用模压环氧树脂生产的微透镜阵列不同，该工艺能以冷加工方式以很好的一致性大规模生产柱面镜阵列，也是激光光束控制和匀化应用最多的微透镜阵列，目前最大的玻璃晶圆尺寸可达300 mm*300 mm。
图6 炬光科技300 x 300 mm微光学晶圆
2)精密模压 -- 模压玻璃（MG）和模压树脂（MP）
MG or MP (Molded Glass 或 Molded Polymer 模压玻璃或模压环氧树脂）。目前MG方案较具代表性的厂商是FISBA，该工艺较适合球面镜和单列微透镜阵列。
图7 线形微透镜阵列
MP方案以国内包括台湾几家大的微光学厂家为主，但是由于激光的阈值损伤要求和树脂材料的老化限制，易导致系统损坏，目前主要应用在低功率和成本较低的应用领域，如手机镜头等。很多厂家也通过POG(polymer on glass）的方法均衡性能和成本，但由于材料应力不同，容易出现材料剥离的情况。
如下是一个WLG的diffuser和类似设计的POG产品对温冲实验的耐久性数据，可以看出POG较适合温度变化范围较小或者变化较缓慢的应用中。
温冲实验(-40℃~110℃)
- POG（polymer on glass）Diffuser在1432次循环后明显出现高分子材质与玻璃材料分层
- 炬光玻璃Diffuser在3104次循环后仍然无变化(实验仍在进行中)
图8 炬光玻璃Diffuser（左）；其他POG Diffuser（右）。
微透镜阵列的重要应用
1)匀光 Homogenizer
将能量分布不均匀的光束通过光斑在焦平面叠加，变换为能量均匀分布的平帽（top hat）光束。
图9 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。
图10 索雷博（Thorlabs）公司的一种微透镜阵列光束匀化的应用方法
图11 索雷博（Thorlabs）公司用于微透镜激光匀化的原理图
图11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，微透镜阵列将平行光转化为多束小光束，并沿光轴传输到第二个平凸透镜，每个小光束聚焦在工作面上，形成均匀的光斑。
图12 炬光科技的匀光片应用
视野大小：
图13是两片匀化片将一束准直过的多模激光束压缩为非常均匀的平帽分布（top hat）矩形光斑，再经过各种光束变化，实现如下图一样的光斑和能量分布，包括线光斑也是这种原理的应用。
图13 平帽分布（top hat）矩形光斑，再经过各种光束变化
激光束经过扩束器变为椭圆光斑，再被光束变换器转化为虚线状光斑，经过匀化片重新分布能量，变为矩形光斑，最后聚焦压缩为线光斑。
该系统可生成1米长的紫外（UV）光斑，也可以生成3.5米长的近红外（NIR）光斑。
这种匀化片也被应用于半导体光刻领域。
图14 光束成形光刻系统
例如图14输入是高斯分布的193 nm或者248 nm激光 经过匀化片和复杂的光学系统，转换为<10 nm的平帽分布光束，用于半导体光刻蚀。
2)扩散Diffuser
通过改变光束能量分布，也将光斑在焦平面均匀的扩散，实现控制视场角（FOV）及能量分布的作用。
图15 一束激光经过扩散片后，变为25°*120°的超广角分布
其原理是通过水平和垂直两个面阵的扩散作用到光束后，形成交叉网格的能量分布。这种扩散片的优点如下：
- 可用于不同光束质量的光源、EEL、VCSEL、固体激光器等
- 可实现任意角度的视场角
- 用简单的光学系统实现实现高达160°的超广角
- 无零级，无亮爆点，人眼安全
- 通过高一致性的WLG工艺，可以实现光强分布边缘陡峭（消除噪声影响）
图16 炬光diffuser（左）；其他（右）。
- 光强分布对波长不敏感
图17 不同波长下光强分布
微透镜阵列可以配合VCSEL（垂直腔面激光发射器）形成非对称或大视场的3D传感器，用于面部识别、瞳孔识别等。
图18 4*4 VCSEL的光束变换为2维近似矩形视场
图19 单VCSEL阵列光束变换为极面分布的光束，并在边缘区域加强
也可以用于激光雷达LiDAR，造就即将实现的自动驾驶。
图20 激光雷达的典型视场角120*20度
图21 激光雷达在自动驾驶上的应用
结束语：
随着微纳技术的不断发展，微透镜阵列在传统光学的基础上，充分利用ROE和DOE的优点，将作为“控光”的重要组成，帮助人们实现未来众多的激光应用，实现调控光子、利用光子为人类服务的美好未来。
图22 微透镜阵列的多方面应用
作者：郭明， 2001年毕业于西安电子科技大学光电子专业，在IBM、GE、Signify等500强企业做过10多年的产品管理工作，目前西安炬光科技股份有限公司负责FL微光学事业部的产品线管理。
封面图片来源：https://www.osa-opn.org/home/gallery/image_of_the_week/2016/16-0926/
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