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。