微透鏡陣列和其實現(xiàn)的光束勻化簡介

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微透鏡陣列和其實現(xiàn)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寞射。它和傳統(tǒng)透鏡一樣，最小功能單元也可以是球面鏡锌钮、非球面鏡桥温、柱鏡、棱鏡等梁丘，同樣能在微光學(xué)角度實現(xiàn)聚焦侵浸、成像旺韭，光束變換等功能，而且因為單元尺寸小掏觉、集成度高区端，使得它能構(gòu)成許多新型的光學(xué)系統(tǒng)，完成傳統(tǒng)光學(xué)元件無法完成的功能履腋。微透鏡陣列的結(jié)構(gòu)從最小功能單元的排列方法可分為單排式珊燎、M*N排列、滿布式等遵湖，同時可分為單面陣列和雙面陣列悔政。

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(xué)的折射原理，光在兩種透明介質(zhì)交界處（如空氣和玻璃）延旧，將向折射率高的區(qū)域彎折谋国。材料的折射率越高，入射光發(fā)生折射的能力越強迁沫。通過這個原理芦瘾，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(yīng)的小透鏡聚焦在焦平面上集畅，光斑進(jìn)行重疊近弟，從而實現(xiàn)在特定區(qū)域?qū)⒐饩?a style="color: blue" href="http://www.wjjzl.com/yy-11.html" target="_blank">勻化，對激光束精確整形挺智。其應(yīng)用主要有光斑整形和光束轉(zhuǎn)化祷愉。

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(xué)的衍射原理，光被透鏡陣列的表面浮雕結(jié)構(gòu)調(diào)制改變了波前相位赦颇，從而實現(xiàn)了光波的調(diào)制二鳄、變換。激光經(jīng)過每個衍射單元后發(fā)生衍射媒怯，并在一定距離（通常為無窮遠(yuǎn)或透鏡焦平面）處產(chǎn)生干涉订讼，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(xué)元件對入射光的角度敏感扇苞，需要較好的光路調(diào)整精度和穩(wěn)定性欺殿；2.大部分衍射光學(xué)元件對入射激光的波前位相進(jìn)行精密調(diào)控，因此光路中的其他部件如反/透射鏡片杨拐、透鏡等要使用高精度祈餐、低波差的器件，否則會影響最終的效果哄陶。

常見的微透鏡陣列勻光光路帆阳，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(yōu)異的效果蜒谤，且雙透鏡勻光光路對入射光的發(fā)散角有一定的容差山宾。所以在這兩種光路之中，雙陣列型勻光光路更為常見鳍徽，也更為好用资锰。下圖便是現(xiàn)在常見的雙陣列透鏡勻光光路。其主要的元件是兩片規(guī)格參數(shù)相近的兩片微透鏡陣列阶祭，以及后方的傅里葉透鏡绷杜。

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濒募； FL:菲涅爾透鏡鞭盟； FP:接收屏面； dn:入射準(zhǔn)直光直徑瑰剃； DPT:勻光大小‘’fLA1：陣列1的焦距齿诉； fLA2:陣列2的焦距； a12:雙陣列間距晌姚； S:陣列2與菲涅爾透鏡間距粤剧； FFL:菲涅爾透鏡焦距

激光光源經(jīng)過擴束準(zhǔn)直后，平行入射挥唠。平行入射的激光束抵恋，打在第一面微透鏡陣列上，經(jīng)過每個子單元的聚焦宝磨，重新形成陣列排布的焦點馋记。可近似地將入射的光束懊烤，看成對應(yīng)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宽堆，基于陣列排布的對稱性腌紧，也即出射小光束的對稱性，小光束的不均勻性相互抵消畜隶，最終在接收屏幕上形成均勻的目標(biāo)光斑壁肋。

此外，由于傅里葉透鏡的周期性籽慢，出射光斑經(jīng)過透鏡匯聚會浸遗，仍然會呈現(xiàn)出周期性的光斑陣列，影響了最終微透鏡勻化光斑的效果箱亿。（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(jìn)一步提高微透鏡激光勻化的質(zhì)量跛锌，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(zhì)量的方法有：采用隨機點陣微透鏡陣列届惋，添加擴散片等髓帽。采用隨機點陣微透鏡陣列菠赚，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

帶擴散片的光路郑藏，是在光束入到微透鏡之前衡查，先用擴散片對入射光進(jìn)行初步的勻化，從而降低其相干性必盖。經(jīng)過勻化后的光束拌牲，再經(jīng)準(zhǔn)直處理，打在雙陣列勻化鏡子歌粥，最終成像出較好的勻化光斑塌忽。（其光路如下圖）

圖7：帶擴散片的激光勻化光路

勻化片兩側(cè)，是參數(shù)相同的聚焦透鏡阁吝。激光光源砚婆，經(jīng)準(zhǔn)直入射，在第一個聚焦透鏡上聚焦突勇，而擴散片装盯，恰落在其焦面上。經(jīng)焦面上的擴散片勻化出射后的光源甲馋，再被準(zhǔn)直埂奈，打在雙陣列勻化光路上。相干性的減小定躏，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(chǎn)生账磺。

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

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