微透镜阵列（microlens array）介绍丨制备加工方法和应用
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什么是微透镜阵列？
微透镜阵列（MLA，microlens array ）是由数个通光孔径及浮雕深度为微米级的微透镜按照特定的排列而成的阵列。通过调整微透镜阵列中微透镜的形状、焦距、排布结构方式、占空比等，可实现一定光学功能,提高光学系统的集成度和性能。根据对光束调制原理的不同可以分为衍射微透镜和折射型微透镜。
透镜阵列的构想来源于仿生学中的复眼结构。从20世纪初就开始系统的研究自然界动物复眼的视觉系统。家蝇的复眼约由4000个小眼组成,复眼中的小眼面一般呈六角形,可充当微小的光学单元。正是在复眼光路结构的启发下,1908年,法国的Lippmann提出了微透镜阵列的概念。
微透镜常用材料
微透镜设计和制造过程的第一步是选择制作微透镜的材料，常用的材料有聚二甲基硅氧烷（PDMS）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、光刻胶、二氧化硅（SiO2）等。
- 聚二甲基硅氧烷（PDMS，polydimethylsiloxane）是一种含硅热固性聚合物，具有低表面能和疏水性的特点，在高温下表现出良好的机械和热性能，同时提供良好的表面光洁度。而且，可以防止聚合物在分离过程中粘在模具表面，有助于脱模。并且原始PDMS在可见光区（400-700 nm）的透光率良好，透光率高于93%。由于PDMS拥有良好的弹性、柔软性、稳定性和光学性能。因此，PDMS 可用作制造各种聚合物微透镜的压印模具，特别是在热压印方法中。由于其良好的弹性、柔软性、稳定性和光学性能，PDMS 已广泛用于软光刻技术以制造弹性体模具
- 聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA,polymethyl methacrylate），PMMA是目前最优秀的透明热塑性高分子材料，透光率高达92%，透明度和亮度高，耐热性好，韧性好。它还具有成本低、机械强度高、易于加工等优点。它经常被用作玻璃的替代材料。当加热温度高于玻璃化转变温度时，PMMA表现出良好的可塑性，可以进行热压印加工。通过调整到适当的压印温度，可以实现完整的型腔填充。此外，PMMA 在微透镜制造方法中也有一些应用，例如喷墨打印和能量束直写。
- 光刻胶在一定波长的紫外线照射下，会发生反应完成固态转换。光刻胶具有感光度高、固化度高、固化速度快等特点。它广泛用于喷墨打印和光刻胶的热回流 用于微透镜制造。 SU-8 负性光刻胶因其高透光率、高折射率和在可见光至近红外范围内的低聚合物体积收缩率而成为一种有前途的微透镜制造材料。 SU-8 还具有良好的机械性能、热稳定性和光学性能，使其适用于制造微光学元件。
影响微透镜阵列成像的关键参数
填充因子 高低反映了微透镜阵列对入射光的利用率高低。其值越大，说明微透镜阵列透过率越高，到达像面上的光能量越多，损失越小。
形状/轮廓
透镜形状：球形、非球面、圆柱形、非圆柱形、自由形状、环形、迷你菲涅耳、变形或双锥
单面（平面凸形和平面凹形）或双面（双面凸形、双面凹形或凹凸形）
曲率
曲率会影响焦距和NA
微透镜阵列制备加工方法
| 微透镜阵列制作方法 | 优点 | 缺点 | 微透镜直径 | |
| 直接法 | 纳米热压印技术 | 操作简便 成本低 精度高 适合大规模制备 |
模板制作难度大 设备昂贵 |
~500 μm |
| 微滴喷射工艺 （喷墨打印） |
加工简单 成本低 可在柔性基材上制作 适合大规模制备 |
数值孔径低 难以控制尺寸和表面形状 |
50–100 μm | |
| 电动流体动力喷印 （E-jet-printing） |
表面光滑度高 加工效率高 制造工艺灵活可靠 |
如果电压不稳定会形成卫星液滴 | ~5 μm | |
| 自组装法 | 易于生产 成像性能好 大面积制备 |
难以保持一致性 | ~200 μm | |
| 热回流法 （光刻胶热熔法） |
制作工艺简单 成本低 周期短 效率高 工艺参数易控制 |
需要较高的加热温度 难以控制透镜的几何形状和均匀性 数值孔径低 |
30-200 μm | |
| 基于激光的制造方法 （电子束直写、聚焦离子束直写、飞秒激光、双光子聚合3d打印等） |
高分辨率 灵活性高 |
工艺复杂性高 加工周期长 设备昂贵 |
~10 μm | |
| 间接法 | 湿法蚀刻 | 表面光滑度高 均匀性好 重复性好 |
设备昂贵 需准备掩膜 |
5–60 μm |
| 软光刻 | 形状可控 适合大面积制备 |
需准备模板 制作过程复杂且昂贵 |
~445 nm | |
微透镜阵列的应用
微透镜阵列最常用于提高电荷耦合器件阵列的光收集效率。它们收集并聚焦原本会落在CCD非敏感区域的光。微透镜阵列也常用于数字投影仪，用于聚焦光线。还有专为新的成像特性而设计的微透镜阵列组合，例如能够以单位放大倍率显示图像，同时图像不会反转。微透镜阵列也用于紧凑型成像设备，如智能手机相机。或者它们可以用于光学显微镜，其中可以使用两个阵列来实现均匀的照明。最后，微透镜阵列还用于实现光场摄影（全光学相机），因此无需初始聚焦即可捕获图像。相反，焦点是在使用软件对图像进行后期处理时实现的。
如今，微透镜阵列正在成为大多数光学系统中不可或缺的一部分。它们用于的应用包括：
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共聚焦显微镜
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数字投影仪
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显示和 HUD 成像系统
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照明系统
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激光雷达系统
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光场相机和系统
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医疗激光系统
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光学传感器
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白光干涉仪
