陣列透鏡:光學系統(tǒng)中的“多面手”
陣列透鏡(Lens Array)是由多個微型透鏡按照特定規(guī)則排列組成的復合光學元件。與傳統(tǒng)單透鏡不同,它能夠同時對多個光束進行獨立操控,或?qū)我还馐指?、整形為復雜的空間光場,廣泛應用于需要并行光處理或高精度光場調(diào)控的場景。
(激埃特原創(chuàng)圖)
一、陣列透鏡的分類
根據(jù)結構、原理和應用場景的不同,陣列透鏡可分為以下幾類:
分類依據(jù) | 類型 | 特點與應用 |
工作原理 | 折射式陣列透鏡 | 基于傳統(tǒng)幾何光學折射原理,適用于可見光至紅外波段,成本較低。 |
衍射式陣列透鏡 | 利用衍射效應設計,可實現(xiàn)亞波長級光場調(diào)控,常用于激光分束和波前整形。 | |
透鏡排列方式 | 規(guī)則陣列(矩形、六邊形) | 均勻排列,適用于均勻分光、光束整形(如激光勻化)。 |
隨機/不規(guī)則陣列 | 優(yōu)化光場均勻性,減少干涉條紋,用于照明和投影系統(tǒng)。 | |
透鏡單元形態(tài) | 球面微透鏡陣列 | 單元為球面透鏡,加工簡單,適合光束聚焦和成像。 |
非球面微透鏡陣列 | 單元為非球面,可校正像差,提升光場質(zhì)量(如激光雷達光學系統(tǒng))。 | |
材料與工藝 | 玻璃基陣列透鏡 | 耐高溫、抗損傷,適用于高功率激光場景。 |
聚合物基陣列透鏡 | 低成本、可柔性加工,用于消費電子(如手機攝像頭、AR眼鏡)。 |
(激埃特原創(chuàng)圖)
二、核心應用場景
1. 激光加工與光學系統(tǒng)
光束勻化:將高斯分布的激光束轉換為平頂光斑,提升切割/焊接均勻性(如半導體晶圓加工)。
分束與多焦點生成:通過陣列透鏡將單束激光分割為多束,實現(xiàn)并行加工(如手機屏幕打孔)。
2. 成像與傳感
光場相機:利用微透鏡陣列記錄光線方向信息,實現(xiàn)3D成像與重對焦(如Lytro相機)。
結構光投影:生成編碼光圖案,用于3D掃描、人臉識別(如iPhone Face ID)。
3. 光通信與顯示技術
光纖耦合:將多路光信號高效耦合至光纖陣列(如數(shù)據(jù)中心光模塊)。
AR/VR近眼顯示:通過波導結合微透鏡陣列擴大視場角,提升顯示清晰度(如Hololens光學模組)。
4. 照明與能源
LED二次光學設計:勻化LED出光,避免眩光(如汽車大燈、舞臺燈光)。
太陽能聚光:聚焦陽光至光伏電池,提升發(fā)電效率(如聚光光伏系統(tǒng))。
(圖源激埃特光電)
三、陣列透鏡的作用與特點
核心作用
1. 并行光場操控:同時處理多路光束,提升光學系統(tǒng)效率。
2. 光場均勻化:消除光強分布不均勻性,優(yōu)化加工與成像質(zhì)量。
3. 像差校正:通過非球面或衍射設計補償光學系統(tǒng)像差。
四、技術特點
特點 | 說明 |
高集成度 | 單位面積內(nèi)集成數(shù)百至數(shù)萬透鏡單元,大幅縮小光學系統(tǒng)體積。 |
靈活設計 | 支持自定義透鏡形狀、排列密度和填充因子(如六邊形密排提升光能利用率) |
高精度加工 | 納米級表面粗糙度(<10 nm)和亞微米級定位精度(如光刻工藝制造) |
多波長兼容 | 可通過鍍膜或材料選擇適配紫外至遠紅外波段。 |
五、典型參數(shù)與選型建議
1. 關鍵參數(shù)
透鏡單元尺寸:常見10 μm~1 mm,小尺寸適用于高分辨率成像,大尺寸用于高能量激光。
填充因子(Fill Factor):透鏡占單元面積比例(>90%可減少光能損失)。
抗損傷閾值(LIDT):玻璃基陣列可達10 J/cm2(納秒脈沖),聚合物基通常<1 J/cm2。
2. 選型原則
激光應用:優(yōu)先選擇熔融石英或ZnSe材料,搭配抗反射鍍膜。
消費電子:聚合物基陣列(如PMMA)兼顧成本與輕量化需求。
高溫環(huán)境:選用耐熱玻璃(如Pyrex)或藍寶石基材。
六、未來發(fā)展趨勢
1. 超表面陣列透鏡:結合超構表面技術,實現(xiàn)亞波長級光場調(diào)控。
2. 動態(tài)可調(diào)陣列:通過液晶或MEMS技術實現(xiàn)焦距/光場實時調(diào)節(jié)。
3. 混合光學系統(tǒng):與衍射光學元件(DOE)、自由曲面透鏡集成,拓展功能邊界。
總的來說,陣列透鏡憑借其高度集成、靈活調(diào)控的特性,已成為現(xiàn)代光學系統(tǒng)的核心組件之一。從工業(yè)激光加工到消費級AR設備,從精密成像到新能源技術,它的身影無處不在。隨著微納加工技術的進步,陣列透鏡將繼續(xù)推動光學領域的創(chuàng)新突破,為人類探索光的世界打開更多可能。