微透鏡陣列和其實現的光束勻化簡介

微透鏡陣列是由通光孔徑及浮雕深度為微米級的透鏡組成的陣列。它和傳統透鏡一樣，最小功能單元也可以是球面鏡、非球面鏡、柱鏡、棱鏡等，同樣能在微光學角度實現聚焦、成像，光束變換等功能，而且因為單元尺寸小、集成度高，使得它能構成許多新型的光學系統，完成傳統光學元件無法完成的功能。微透鏡陣列的結構從最小功能單元的排列方法可分為單排式、M*N排列、滿布式等，同時可分為單面陣列和雙面陣列。

圖1：微透鏡陣列示意圖

微透鏡陣列可分為折射型微透鏡陣列與衍射型微透鏡陣列兩類：

折射型微透鏡(ROE)陣列：基于幾何光學的折射原理，光在兩種透明介質交界處（如空氣和玻璃），將向折射率高的區域彎折。材料的折射率越高，入射光發生折射的能力越強。通過這個原理，將一個完整的激光波前在空間上分成許多微小的部分，每一部分被相應的小透鏡聚焦在焦平面上，光斑進行重疊，從而實現在特定區域將光均勻化，對激光束精確整形。其應用主要有光斑整形和光束轉化。

圖2：折射型微透鏡陣列

衍射型微透鏡(DOE)陣列：基于物理光學的衍射原理，光被透鏡陣列的表面浮雕結構調制改變了波前相位，從而實現了光波的調制、變換。激光經過每個衍射單元后發生衍射，并在一定距離（通常為無窮遠或透鏡焦平面）處產生干涉，形成特定的光強分布。

圖3：衍射型微透鏡陣列

微透鏡使用時的限制：1.衍射光學元件對入射光的角度敏感，需要較好的光路調整精度和穩定性；2.大部分衍射光學元件對入射激光的波前位相進行精密調控，因此光路中的其他部件如反/透射鏡片、透鏡等要使用高精度、低波差的器件，否則會影響最終的效果。

常見的微透鏡陣列勻光光路，分為兩種：一種是單陣列型，另一種是雙陣列型。雙陣列勻光對比單透鏡勻光具有更優異的效果，且雙透鏡勻光光路對入射光的發散角有一定的容差。所以在這兩種光路之中，雙陣列型勻光光路更為常見，也更為好用。下圖便是現在常見的雙陣列透鏡勻光光路。其主要的元件是兩片規格參數相近的兩片微透鏡陣列，以及后方的傅里葉透鏡。

圖4：雙微透鏡陣列勻光光路

LA1:微透鏡陣列1；LA2:微透鏡陣列2； FL:菲涅爾透鏡； FP:接收屏面； dn:入射準直光直徑； DPT:勻光大小‘’fLA1：陣列1的焦距； fLA2:陣列2的焦距； a12:雙陣列間距； S:陣列2與菲涅爾透鏡間距； fFL:菲涅爾透鏡焦距

激光光源經過擴束準直后，平行入射。平行入射的激光束，打在第一面微透鏡陣列上，經過每個子單元的聚焦，重新形成陣列排布的焦點。可近似地將入射的光束，看成對應于透鏡陣列的光束簇陣列。重新聚焦后的多個小光束相互疊加，基于陣列排布的對稱性，也即出射小光束的對稱性，小光束的不均勻性相互抵消，最終在接收屏幕上形成均勻的目標光斑。

此外，由于傅里葉透鏡的周期性，出射光斑經過透鏡匯聚會，仍然會呈現出周期性的光斑陣列，影響了最終微透鏡勻化光斑的效果。（成像光斑的能量頻譜圖如下）

圖5：周期性光斑能量分布圖

為了進一步提高微透鏡激光勻化的質量，可以考慮從打亂成像光斑陣列的周期性排列入手。較為常見且簡便的提高勻化質量的方法有：采用隨機點陣微透鏡陣列，添加擴散片等。采用隨機點陣微透鏡陣列，可以有效的破壞出射光斑在接收屛面排列的周期性。（效果如下圖）

圖6：隨即點陣光斑能量分布圖

帶擴散片的光路，是在光束入到微透鏡之前，先用擴散片對入射光進行初步的勻化，從而降低其相干性。經過勻化后的光束，再經準直處理，打在雙陣列勻化鏡子，最終成像出較好的勻化光斑。（其光路如下圖）

圖7：帶擴散片的激光勻化光路

勻化片兩側，是參數相同的聚焦透鏡。激光光源，經準直入射，在第一個聚焦透鏡上聚焦，而擴散片，恰落在其焦面上。經焦面上的擴散片勻化出射后的光源，再被準直，打在雙陣列勻化光路上。相干性的減小，可以大大的減少接收屏面上子單元成像的小光斑之間的銳利邊緣的產生。

圖8：微透鏡勻化效果；其中左圖為未加擴散片的勻化效果；右圖為擴散片的勻化效果

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相關文獻：

[1] 知乎：微透鏡陣列的應用之一——激光勻化；

[2]知乎：3分鐘了解微透鏡陣列；

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