一文了解微透镜阵列在光学应用中的关键作用

本篇文章主要分享了本文将介绍微透镜阵列的定义、分类、排列方式、加工工艺以及应用领域，并着重介绍了微透镜阵列在光纤通信中的重要作用。预计阅读5分钟。

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微透镜阵列是一种由微小单元透镜排列构成的光学元件，它在光学应用中扮演着重要的角色。本文将介绍微透镜阵列的定义、分类、排列方式、加工工艺以及应用领域，并着重介绍了微透镜阵列在光纤通信中的重要作用。

微透镜阵列通过表面浮雕结构调制或利用折射原理改变入射光的传播方向和波相位，从而实现对光束的控制。

根据工作原理的不同，微透镜阵列分为折射型和衍射型。折射型微透镜基于传统的几何光学折射原理，当光线从一种透明介质传播到另一种折射率更高的介质时，它会改变传播方向，朝着折射率较高的区域弯曲。

折射率的大小决定了材料对光线折射的程度，折射率越高，入射光线被折射的能力越强。适用于成像、光束变换和光通信等领域；光路设计效果图：

而衍射型微透镜利用表面浮雕结构调制入射光的波相位，主要用于高阶像差矫正和光斑形状调制。光路设计效果图：

微透镜阵列的排列方式多种多样。单个式适用于光纤通信中的光纤耦合，单个微透镜与单根光纤相对应；单排式微透镜依次排成一排，用于多根光纤的耦合；M×N排列和六边形阵列可以提高使用效率；满布式则可以无限拓展，常见的微透镜形状有正方形、圆形、六边形等。

表1 阵列分布类型、特点和主要应用

实现微透镜阵列的关键是加工工艺。主要有两种常见的加工工艺：半导体晶圆工艺和精密模压。半导体晶圆工艺包括晶圆级光学镜头（WLO）和晶圆级玻璃（WLG），可实现高精度、高效率的加工；而精密模压则包括模压玻璃（MG）和模压树脂（MP），具备成本低、适用范围广等特点。微透镜阵列的功能多样化，其中一些重要的应用包括匀光和扩散功能。匀光功能可使光束能量均匀分布，实现更好的照明效果；

爱特蒙特公司（Edmund）的一种利用微透镜阵列光束匀化的原理

而扩散功能则可以调节视场角，使得观察和成像更加舒适和清晰。

一束激光经过扩散片后，变为25°*120°的超广角分布

炬光diffuser（左）；其他（右）。

微透镜阵列在光学应用中具有广泛的应用领域。其中，它在光纤通信中发挥着重要作用。通过微透镜阵列实现激光与光纤的高效耦合，提高了光纤通信系统的传输效率。

此外，微透镜阵列还常被应用于哈特曼传感器，用于波前分析和波前畸变监测。它还可用于激光光斑整形和匀光，通过微透镜阵列可以实现对激光光斑形状和均匀度的调控。

在中国，微透镜阵列的研究得到广泛关注和积极推进。中国科学院长春光学精密研究所、中科院光电技术研究所、中科院半导体所以及北京理工大学、华中科技大学和长春理工大学等单位都在开展相关研究工作。为了衡量微透镜阵列对光束的接受能力大小，引入了数值孔径这一概念。

数值孔径决定了微透镜对入射光的光角度接受范围，直接影响光纤耦合效率和光学系统性能。它的定义为：数值孔径（NA）等于透镜和被检测物体之间介质的折射率乘以孔径角半数的正弦值。可以表示为公式：NA = n * sin(α)，其中α为孔径角，也称为镜口角。孔径角决定了进入透镜的光通量的多少，因此与透镜的有效直径成正比，与离焦点的距离成反比。

换言之，孔径角越大，光线通过透镜的光通量就越大。这一参数在光学系统设计中至关重要，可以影响系统的分辨率、聚焦能力和光收集效率。为了控制和优化光学系统的性能，我们需要根据具体的应用需求来选择适当的数值孔径。

较大的数值孔径可以提供更高的分辨率和更好的聚焦能力，但同时也会增加系统的复杂性和成本。较小的数值孔径则可以降低系统的要求，并提供更大的深度焦点和更大的光收集范围。

综上所述，微透镜阵列作为光学应用中的关键元件，在光纤通信和激光技术等领域发挥着重要作用。随着技术的进步和研究的深入，微透镜阵列在光学系统中的应用前景将会更加广阔，并为光学领域的发展做出新的贡献。

武大制备柔性超疏水微透镜阵列，攻克潮湿室外环境下成像模糊难题

“鱼倾荷叶露，蝉躁柳林风”，这句诗出自晚唐诗人许浑的《泛五云溪》，描写了荷叶上的露珠被小鱼撞翻，蝉鸣随风从柳树林里传出的动人景象。

生活中，我们也能发现这样一种有趣的现象，即附着在荷叶表面的水滴，很容易从表面滑出并反弹。其实，这种良好的超疏水性，是由荷叶表面具备的微纳米复合结构提供的。

为了解决微透镜阵列（Micro-lens Array , MLA）这种光学成像设备在潮湿环境下成像模糊的问题，近日，武汉大学薛龙建教授团队联合桂成群教授团队，采用了 3D 光刻微纳制造技术和软印刷技术，成功制备了具有良好光学成像功能与疏水性能的柔性 MLA。

2022 年 11 月 30 日，相关论文以《用于潮湿室外环境的柔性超疏水微透镜阵列》（Flexible Superhydrophobic Microlens Array for Humid Outdoor Environment Applications）为题在 ACS Applied Materials & Interfaces 上发表 [1]。

图丨相关论文（来源：ACS Applied Materials & Interfaces）

武汉大学动力与机械学院博士生栾世奕为论文第一作者，武汉大学动力与机械学院薛龙建教授、微电子学院宋毅副教授、以及工业科学研究院桂成群教授担任共同通讯作者。

图丨薛龙建（来源：薛龙建）

基于两种不同生物结构，成功制备柔性超疏水 MLA

具有传感、波束整形等功能的 MLA 成像系统，是科学家基于昆虫复眼结构发明的仿生产品，目前在虚拟现实、增强现实、医疗、摄影、护目镜等多个领域拥有广泛的应用前景。

在潮湿环境的应用中，水滴可能会粘附在 MLA 表面，进而阻碍其成像性能的发挥。模仿荷叶效应，在 MLA 表面制备疏水的微纳米复合结构有望克服水滴的粘附问题。

需要说明的是，MLA 必须拥有能保证透光度的光滑表面，但疏水性，尤其是超疏水性则需要粗糙的表面。

所以，在制备超疏水 MLA 结构时，要想满足上述两种特性的要求，需要结合多项技术并采用颇为复杂的制造工艺。但这样的工艺流程会损害 MLA 的成像性能；同时，复杂的工艺也会增加衬底材料的选择难度，不利于柔性 MLA 的制备。

为了攻克这些难题，该团队采用了工业科学研究院桂成群教授团队研发的 3D 光刻微纳制造技术，避开以往研究中的复杂工艺步骤，在一步内完成了复合有分层柱阵列的 MLA 的构建，并通过调节结构参数优化了 MLA 的功能。

此外，他们还利用软印刷技术，把超疏水 MLA 复合结构转印到有机硅橡胶聚二甲基硅氧烷上。

图丨具有疏水性微结构的柔性 MLA 的制造示意图（来源：ACS Applied Materials & Interfaces）

据介绍，采用微米-纳米复合结构，会带来如下两种后果：一是其在自然环境中比较脆弱，容易被破坏。二是纳米结构会导致透光性下降。

因此，该团队想出了一个折中的方案，即通过制备比纳米结构大的微米和亚微米结构，来保证疏水性和结构的稳定性。薛龙建表示：“虽然这种结构的疏水性没有那么高，但是对阻止液滴粘附到 MLA 上来说也已经足够。”

图丨聚二甲基硅氧烷制成的普通 MLA、疏水 MLA 和超疏水 MLA 的 3D 图像（来源：ACS Applied Materials & Interfaces）

论文中提到：“对于周期为 50~100μm 的分层柱状阵列，水滴的接触角大于 151°，滚动角小于 15.6°，透射率达到 92.3%，接近普通的 MLA（无超疏水柱状阵列）。”

经过测试，在潮湿环境下，具备超疏水分层柱阵列的 MLA，不仅在防水应用中表现优异，其成像质量和视场也未受到损伤。

受生物启发产生灵感，创造新的英文单词定义仿生学

薛龙建多年来专注仿生材料领域的研究，对于他及团队来说，研究过程中最为艰难的环节，是如何成功地把自然界中观察到的现象变成一种可加工的新材料。

“因为生物体的结构和功能是复杂的、复合的，我们需要借助现有的理论知识体系和先进技术，去观察生物的结构、去理解生物结构与功能之间的映射关系。然后，再模仿这些生物的功能结构，做出仿生设计，基于先进加工技术构建仿生结构，并赋予其相关功能。”薛龙建说。

同时，他也认为这项研究非常有意思。“把仿荷叶和仿昆虫复眼这两种不同的生物结构结合起来，体现了我们课题组的一个重要研究思想，即通过融合多种生物的结构特征，尝试研发具有复合功能的仿生材料。”

基于该思想，他还创造了一个英文单词“bioinspiratics”，意为受生物启发，创造新材料、新设备的科学，这些新材料、新设备的特性与功能不一定存在于启发的自然生物中 [2]。

关于该研究的后续计划，他表示将继续向大自然学习，从材料选择、结构设计、加工技术等方面出发，继续提高透光性，实现更好的成像效果。

参考资料：

1.S. Luan, P. Xu, Y. Zhang, L.Xue. et al. Flexible Superhydrophobic Microlens Array for Humid Outdoor Environment Applications. ACS Applied Materials & Interfaces 2022, 14 （47）, 53433-53441. https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.2c17128

2. Q. Liu, D. Tan, Dr. F. Meng, B. Yang, et al. Adhesion Enhancement of Micropillar Array by Combining the Adhesive Design from Gecko and Tree Frog. Small，2021, 17, 2005493. https://doi.org/10.1002/smll.202005493

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