什么是微透镜阵列（Microlens Arrays）？

微透镜阵列由一维或二维的小型透镜（小透镜）阵列组成。这些小透镜通常呈现周期性图案，通常为正方形或六边形，透镜间距从几百微米到几十微米甚至更小。微透镜阵列通常用于提高光学系统的空间分辨率。在成像应用中，每个微透镜都能捕捉被观测物体一小部分区域的光线，与单个大透镜相比，能分辨出更精细的细节。


微透镜阵列的整体形状通常为正方形（如 10 毫米 x 10 毫米），但也可以是矩形或圆形。微透镜的数量从数千到数百万不等。

微透镜阵列可作为单独的光学元件在市场上销售，其中有些是安装式的。这些安装好的阵列由金属或聚合物部件封装，可安装在标准光学支架上。透镜的两面通常涂有防反射材料。在某些情况下，透镜被制作成具有结构设计的透明薄层，并与平整、均匀的玻璃或半导体基板相连接。

此外，微透镜阵列还可以作为较大组件的一部分集成在一起。例如，某些 CCD 和 CMOS 图像传感器在每个光电探测器上安装一个微透镜，以提高光收集效率。这种配置可确保所有入射光都集中到有效区域，而有效区域只占芯片表面的一部分。

微透镜阵列的特点

微透镜阵列中的透镜通常是圆形的，但也有使用圆柱形透镜的阵列。能够向两个方向聚焦的透镜仍然可以是方形的。
微透镜阵列可针对不同的光谱范围进行优化，如可见光和/或部分近红外光谱。这种优化会影响光学材料的选择和抗反射涂层的应用。
微透镜阵列的透镜间距有多种选择，从几微米（仅为光波长的几倍）到几百微米不等。对于某些应用，透镜的精确定位至关重要。
许多应用要求高填充系数，即可用透镜孔径总面积与阵列总面积之比。例如，一个由圆形透镜组成的正方形阵列，透镜之间没有任何空隙，其填充因子约为 78.5% (π/4)。六边形阵列可以达到更高的填充系数，但并不适合所有应用。
微透镜阵列中每个透镜的特点是直径和焦距。整个器件区域的焦距均匀性非常重要，尤其是在成像应用中。最大限度地减少光学像差也很重要，为此有时会使用非球面透镜（使用反应离子蚀刻法生产）。
微透镜阵列的光吞吐量受到填充系数的限制，还可能因寄生吸收和/或反射而导致透镜的透射率不够完美。
 

微透镜阵列的制造

透镜阵列通常采用微细加工方法制造，这种方法可在一个步骤中生产所有微透镜。一种常见的方法是使用光刻法，用灰度或二进制光刻掩模来定义透镜图案。这种方法结合了半导体加工中常用的技术，即晶圆级光学技术。在塑料光学中，通常使用环氧树脂材料进行模塑等机械技术。

在某些情况下，利用表面张力现象来实现平滑一致的透镜表面形状。然而，这些表面一般都是非球面的，在光学上可能并不理想，从而导致像差。

另一种方法涉及激光材料加工，可以一次形成一个小透镜，也可以使用多束激光形成少量小透镜。虽然这些方法具有多功能性和灵活性，但往往速度较慢，成本较高。

透镜阵列制造可使用各种光学材料，包括熔融石英、不同类型的玻璃和聚合物（塑料）。材料的选择必须与所选的生产技术相匹配，同时也会影响器件的特性，如可用光谱范围以及机械和热稳定性。

微透镜阵列的工作原理

微透镜阵列的结构由以规则网格模式排列的小型透镜阵列组成。每个微透镜都有自己的焦点，它们共同作用，操纵通过它们的光线的行为。这种排列方式使微型透镜阵列能够控制光的分布、方向和强度，从而使其在各种光学应用中大显身手。

当光线通过微透镜阵列时，每个微透镜都会将入射光收集并聚焦到空间中的一个特定点上。单个微透镜就像微小的放大镜，可以聚光并改变光的方向。

微透镜阵列的应用
 

微透镜阵列通常用于成像系统，如相机和数字图像传感器。它们通过将入射光聚焦到光电探测器上，提高光收集效率，从而提高图像质量和灵敏度。
它们被用于虚拟现实和增强现实头戴设备，以创造身临其境的视觉体验。这些阵列有助于聚焦并引导光线射向用户的眼睛，从而提高图像质量和视野。
微透镜阵列可用于液晶显示器（LCD）和有机发光二极管（OLED）显示器等显示技术。它们通过控制光的传输和方向来提高亮度、对比度和视角。
通过使用多个透镜同时捕捉不同的视角，这些阵列可以捕捉 3D 图像。它们可应用于计算机视觉、机器人和医学成像等领域。
微透镜阵列可将太阳光聚焦到有源区域，提高太阳能电池的光吸收效率，从而提高能量转换效率。
微透镜阵列还可用于显微镜，以提高图像分辨率、景深和光收集。这些阵列可对小型结构和颗粒进行高分辨率成像。
微透镜阵列可用于光纤等光通信系统中，将光束耦合并对齐，以实现高效传输和接收。
这些阵列通过聚焦和操纵流体流动来协助微流体系统，从而在片上实验室设备和生物医学诊断等应用中实现精确控制和分析。
它们还可用于激光系统中的光束整形、准直和转向。此外，这些阵列还能控制激光束的空间分布和方向，用于各种工业和科学应用。
微透镜阵列在细胞成像、微阵列分析和 DNA 测序等生物医学应用中发挥作用。它们有助于对生物样本进行高通量分析和成像。