微透镜阵列和其实现的光束匀化简介

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。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。

 

 

 

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：

 

折射型微透镜(ROE)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：折射型微透镜阵列

 

 

衍射型微透镜(DOE)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。

 

 

 

图3：衍射型微透镜阵列

微透镜使用时的限制：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。

 

常见的微透镜阵列匀光光路，分为两种：一种是单阵列型，另一种是双阵列型。双阵列匀光对比单透镜匀光具有更优异的效果，且双透镜匀光光路对入射光的发散角有一定的容差。所以在这两种光路之中，双阵列型匀光光路更为常见，也更为好用。下图便是现在常见的双阵列透镜匀光光路。其主要的元件是两片规格参数相近的两片微透镜阵列，以及后方的傅里叶透镜。

 

 

图4：双微透镜阵列匀光光路

 

LA1:微透镜阵列1；LA2:微透镜阵列2；FL:菲涅尔透镜；FP:接收屏面；dn:入射准直光直径；DPT:匀光大小‘’fLA1：阵列1的焦距；fLA2:阵列2的焦距；a12:双阵列间距；S:阵列2与菲涅尔透镜间距；fFL:菲涅尔透镜焦距

 

激光光源经过扩束准直后，平行入射。平行入射的激光束，打在第一面微透镜阵列上，经过每个子单元的聚焦，重新形成阵列排布的焦点。可近似地将入射的光束，看成对应于透镜阵列的光束簇阵列。重新聚焦后的多个小光束相互叠加，基于阵列排布的对称性，也即出射小光束的对称性，小光束的不均匀性相互抵消，最终在接收屏幕上形成均匀的目标光斑。

 

此外，由于傅里叶透镜的周期性，出射光斑经过透镜汇聚会，仍然会呈现出周期性的光斑阵列，影响了最终微透镜匀化光斑的效果。（成像光斑的能量频谱图如下）

 

 

图5：周期性光斑能量分布图

 

为了进一步提高微透镜激光匀化的质量，可以考虑从打乱成像光斑阵列的周期性排列入手。较为常见且简便的提高匀化质量的方法有：采用随机点阵微透镜阵列，添加扩散片等。采用随机点阵微透镜阵列，可以有效的破坏出射光斑在接收屛面排列的周期性。（效果如下图）

 

图6：随即点阵光斑能量分布图

 

带扩散片的光路，是在光束入到微透镜之前，先用扩散片对入射光进行初步的匀化，从而降低其相干性。经过匀化后的光束，再经准直处理，打在双阵列匀化镜子，最终成像出较好的匀化光斑。（其光路如下图）

 

图7：带扩散片的激光匀化光路

匀化片两侧，是参数相同的聚焦透镜。激光光源，经准直入射，在第一个聚焦透镜上聚焦，而扩散片，恰落在其焦面上。经焦面上的扩散片匀化出射后的光源，再被准直，打在双阵列匀化光路上。相干性的减小，可以大大的减少接收屏面上子单元成像的小光斑之间的锐利边缘的产生。

 

图8：微透镜匀化效果；其中左图为未加扩散片的匀化效果；右图为扩散片的匀化效果

 

相关文献：

[1] 知乎：微透镜阵列的应用之一——激光匀化；

[2]知乎：3分钟了解微透镜阵列；