什么是微透鏡陣列（Microlens Arrays）？

微透鏡陣列由一維或二維的小型透鏡（小透鏡）陣列組成。這些小透鏡通常呈現(xiàn)周期性圖案，通常為正方形或六邊形，透鏡間距從幾百微米到幾十微米甚至更小。微透鏡陣列通常用于提高光學(xué)系統(tǒng)的空間分辨率。在成像應(yīng)用中，每個(gè)微透鏡都能捕捉被觀測物體一小部分區(qū)域的光線，與單個(gè)大透鏡相比，能分辨出更精細(xì)的細(xì)節(jié)。

微透鏡陣列的整體形狀通常為正方形（如 10 毫米 x 10 毫米），但也可以是矩形或圓形。微透鏡的數(shù)量從數(shù)千到數(shù)百萬不等。

微透鏡陣列可作為單獨(dú)的光學(xué)元件在市場上銷售，其中有些是安裝式的。這些安裝好的陣列由金屬或聚合物部件封裝，可安裝在標(biāo)準(zhǔn)光學(xué)支架上。透鏡的兩面通常涂有防反射材料。在某些情況下，透鏡被制作成具有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的透明薄層，并與平整、均勻的玻璃或半導(dǎo)體基板相連接。

此外，微透鏡陣列還可以作為較大組件的一部分集成在一起。例如，某些 CCD 和 CMOS 圖像傳感器在每個(gè)光電探測器上安裝一個(gè)微透鏡，以提高光收集效率。這種配置可確保所有入射光都集中到有效區(qū)域，而有效區(qū)域只占芯片表面的一部分。

微透鏡陣列的特點(diǎn)

微透鏡陣列中的透鏡通常是圓形的，但也有使用圓柱形透鏡的陣列。能夠向兩個(gè)方向聚焦的透鏡仍然可以是方形的。

微透鏡陣列可針對不同的光譜范圍進(jìn)行優(yōu)化，如可見光和/或部分近紅外光譜。這種優(yōu)化會影響光學(xué)材料的選擇和抗反射涂層的應(yīng)用。

微透鏡陣列的透鏡間距有多種選擇，從幾微米（僅為光波長的幾倍）到幾百微米不等。對于某些應(yīng)用，透鏡的精確定位至關(guān)重要。

許多應(yīng)用要求高填充系數(shù)，即可用透鏡孔徑總面積與陣列總面積之比。例如，一個(gè)由圓形透鏡組成的正方形陣列，透鏡之間沒有任何空隙，其填充因子約為 78.5% (π/4)。六邊形陣列可以達(dá)到更高的填充系數(shù)，但并不適合所有應(yīng)用。

微透鏡陣列中每個(gè)透鏡的特點(diǎn)是直徑和焦距。整個(gè)器件區(qū)域的焦距均勻性非常重要，尤其是在成像應(yīng)用中。最大限度地減少光學(xué)像差也很重要，為此有時(shí)會使用非球面透鏡（使用反應(yīng)離子蝕刻法生產(chǎn)）。

微透鏡陣列的光吞吐量受到填充系數(shù)的限制，還可能因寄生吸收和/或反射而導(dǎo)致透鏡的透射率不夠完美。

微透鏡陣列的制造

透鏡陣列通常采用微細(xì)加工方法制造，這種方法可在一個(gè)步驟中生產(chǎn)所有微透鏡。一種常見的方法是使用光刻法，用灰度或二進(jìn)制光刻掩模來定義透鏡圖案。這種方法結(jié)合了半導(dǎo)體加工中常用的技術(shù)，即晶圓級光學(xué)技術(shù)。在塑料光學(xué)中，通常使用環(huán)氧樹脂材料進(jìn)行模塑等機(jī)械技術(shù)。

在某些情況下，利用表面張力現(xiàn)象來實(shí)現(xiàn)平滑一致的透鏡表面形狀。然而，這些表面一般都是非球面的，在光學(xué)上可能并不理想，從而導(dǎo)致像差。

另一種方法涉及激光材料加工，可以一次形成一個(gè)小透鏡，也可以使用多束激光形成少量小透鏡。雖然這些方法具有多功能性和靈活性，但往往速度較慢，成本較高。

透鏡陣列制造可使用各種光學(xué)材料，包括熔融石英、不同類型的玻璃和聚合物（塑料）。材料的選擇必須與所選的生產(chǎn)技術(shù)相匹配，同時(shí)也會影響器件的特性，如可用光譜范圍以及機(jī)械和熱穩(wěn)定性。

微透鏡陣列的工作原理

微透鏡陣列的結(jié)構(gòu)由以規(guī)則網(wǎng)格模式排列的小型透鏡陣列組成。每個(gè)微透鏡都有自己的焦點(diǎn)，它們共同作用，操縱通過它們的光線的行為。這種排列方式使微型透鏡陣列能夠控制光的分布、方向和強(qiáng)度，從而使其在各種光學(xué)應(yīng)用中大顯身手。

當(dāng)光線通過微透鏡陣列時(shí)，每個(gè)微透鏡都會將入射光收集并聚焦到空間中的一個(gè)特定點(diǎn)上。單個(gè)微透鏡就像微小的放大鏡，可以聚光并改變光的方向。

微透鏡陣列的應(yīng)用

微透鏡陣列通常用于成像系統(tǒng)，如相機(jī)和數(shù)字圖像傳感器。它們通過將入射光聚焦到光電探測器上，提高光收集效率，從而提高圖像質(zhì)量和靈敏度。

它們被用于虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)頭戴設(shè)備，以創(chuàng)造身臨其境的視覺體驗(yàn)。這些陣列有助于聚焦并引導(dǎo)光線射向用戶的眼睛，從而提高圖像質(zhì)量和視野。

微透鏡陣列可用于液晶顯示器（LCD）和有機(jī)發(fā)光二極管（OLED）顯示器等顯示技術(shù)。它們通過控制光的傳輸和方向來提高亮度、對比度和視角。

通過使用多個(gè)透鏡同時(shí)捕捉不同的視角，這些陣列可以捕捉 3D 圖像。它們可應(yīng)用于計(jì)算機(jī)視覺、機(jī)器人和醫(yī)學(xué)成像等領(lǐng)域。

微透鏡陣列可將太陽光聚焦到有源區(qū)域，提高太陽能電池的光吸收效率，從而提高能量轉(zhuǎn)換效率。

微透鏡陣列還可用于顯微鏡，以提高圖像分辨率、景深和光收集。這些陣列可對小型結(jié)構(gòu)和顆粒進(jìn)行高分辨率成像。

微透鏡陣列可用于光纖等光通信系統(tǒng)中，將光束耦合并對齊，以實(shí)現(xiàn)高效傳輸和接收。

這些陣列通過聚焦和操縱流體流動(dòng)來協(xié)助微流體系統(tǒng)，從而在片上實(shí)驗(yàn)室設(shè)備和生物醫(yī)學(xué)診斷等應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)精確控制和分析。

它們還可用于激光系統(tǒng)中的光束整形、準(zhǔn)直和轉(zhuǎn)向。此外，這些陣列還能控制激光束的空間分布和方向，用于各種工業(yè)和科學(xué)應(yīng)用。

微透鏡陣列在細(xì)胞成像、微陣列分析和 DNA 測序等生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中發(fā)揮作用。它們有助于對生物樣本進(jìn)行高通量分析和成像。