基础知识
什么是微透镜阵列？原理、用途与制造方法通俗解说
📌 三行读懂本文
- 微透镜阵列是在平面上排列大量数μm~数mm左右微小透镜的光学元件
- 有光刻、玻璃精密加工等多种制造方法，广泛用于光纤耦合、图像传感器、显示器等领域
- 材料有玻璃和树脂两类，需根据用途选用（详细比较将在其他文章中介绍）
什么是微透镜阵列
微透镜阵列（Micro Lens Array，MLA）是将直径数μm~数mm左右的微小透镜，规则或不规则地大量排列在平面上的光学元件。因其外观如同将单个透镜纵横排列，也被称为“复眼透镜（蝇眼透镜）”。
每个透镜与普通的单个透镜一样，具有以下功能。
- 聚光：将光汇聚到一点
- 扩散：使光均匀地扩展到较大范围
- 准直（转为平行光）：将发散的光整理为平行光线
微透镜阵列通过在平面上布置大量具有这些功能的小透镜，实现了单个大透镜难以做到的“均匀光控制”和“向多个点同时聚光”。
微透镜阵列的制造方法
微透镜阵列的制造方法因材料（玻璃还是树脂）和所需精度的不同，分为几种方式。
光刻＋热熔
这是树脂制微透镜阵列中常用的代表性制造方法。先对光刻胶（感光性树脂）进行曝光、显影，形成圆柱状图案，再将其加热到光刻胶的玻璃化转变温度以上（有在160℃左右加热的报道），光刻胶会在表面张力作用下自然变形为球面状，从而得到球面透镜形状。
通过电铸进行模具转印与量产化
用光刻制成的母版（原盘）无法直接用于量产，因此要通过电铸（电镀）转印到金属模具上。使用该模具进行注塑成型、压缩成型、热压印（hot embossing），即可大量复制树脂制微透镜阵列。树脂注塑成型厂商中，也有对模具进行超精密切削加工，再利用树脂注塑成型技术进行生产的做法。
压印、刻蚀，以及玻璃制品的超精密切削、研磨
压印和刻蚀是接近半导体工艺的微细加工技术，也有利用它们直接形成更高精度图案的方法。另一方面，玻璃制微透镜阵列是通过直接对玻璃材料进行切削、研磨的超精密加工，或对玻璃进行模压成型的方法制成的。适用的制造方法因材料而异，这是微透镜阵列制造的特点。
微透镜阵列的主要用途
微透镜阵列广泛用于需要精密控制光的各个领域。
光纤耦合
在光源与光纤的耦合，以及光开关、波长选择开关（WSS）等光通信设备中，微透镜阵列通过准直和聚光来提高耦合效率。例如，在NASA的卫星观测项目（PACE计划的Ocean Color Instrument）中，据报道将短波红外波段的光耦合到多模光纤束时，目标效率为95%。这是特定项目的目标值，不同用途所需的耦合效率各不相同。
CMOS图像传感器
在数码相机和智能手机搭载的CMOS图像传感器中，每个像素上方都配置了微小的微透镜，以提高向光电二极管的聚光效率。特别是背照式（BSI）传感器，据报道其受光灵敏度比前照式提高约2倍。
显示器与照明扩散板、激光雷达与传感
微透镜阵列使光均匀扩散，因此也被用作实现均匀照明光和宽视角显示的扩散器（扩散板）。此外，在激光雷达（LiDAR，利用激光测距的传感技术）中，它被用于光束整形和提高受光效率。
天文观测装置中的应用实例
在要求高精度的天文观测领域，微透镜阵列同样已有应用。搭载于昴星团望远镜、用于实时观测大气扰动的夏克-哈特曼波前传感器中，也采用了微透镜阵列。
材料选用基础：玻璃与树脂
微透镜阵列既可以用玻璃制造，也可以用树脂制造，两者各有特点。
玻璃制品具有耐热性和耐环境性高，以及光的折射率因入射方向而异的“双折射”小等特点。但是，对精度要求越高、要求低双折射的牌号，超精密切削、研磨和专用模具加工的成本往往越高。
树脂制品的特点是可通过注塑成型从模具中一次性批量复制，量产性出色。另一方面，与玻璃相比，在耐热性和双折射方面有时需要注意。
由于不同用途所需的精度、使用环境和量产规模各不相同，很难一概而论哪种材料更合适。关于光纤用途中玻璃制品成为主流的原因，以及通过树脂化可以解决的课题，我们在姊妹篇文章中基于数值数据做了详细介绍。
总结｜避免微透镜阵列材料选用失误的要点
微透镜阵列是通过多种制造方法制成的光学元件，涵盖从基于光刻的树脂成型到玻璃的超精密加工，并广泛应用于光纤耦合、图像传感器、显示器扩散板、激光雷达以及天文观测等领域。在材料选用上，重要的是了解玻璃和树脂各自的特点，并根据用途作出判断。
如在光学树脂的选用上有困扰，请通过下方链接与三菱瓦斯化学联系。
本文中部分图片与文字使用了生成式AI辅助制作。
