—— ||| 背景介绍 ||| ——
如今，军用和民用应用都需要小型化，轻便，低成本的光学系统，并且已经发明了许多具有前所未有性能的新型光学元件。作为新一代光学元件，微透镜和微透镜阵列（MLAs）由于体积小，重量轻，成本低，光学性能高等特点，在微光学系统中发挥了不可替代的作用。在过去的几十年中，已经探索了制造MLA的各种方法，包括热回流，灰度光刻，干蚀刻，注塑等。随着MLAs处理方法的不断增加，效率，成本，均匀性和可调性作为评估工作重点的重要参数已逐步提出。上述方法和参数在促进MLAs的应用方面是典型的和显着的。最近，陈等人提出了一个快速的单步骤过程，它使用飞秒激光脉冲的高速线扫描，并且可以在一小时内制造由数百万单位组成的MLA [12]。丁等人，介绍了一种低成本的方法，通过液体捕集和微孔阵列中液体的电流体动力学变形来制造大面积的凹形MLAs。然而，通过上述加工方法获得的MLA单位透镜都是相同的，这可能不是各种应用中最合理的MLAs形式。到目前为止，还没有提出由不同曲率单元透镜组成的MLA，它们将具有不同的光学特性并显着提高光学系统的性能。
—— ||| 创新与结论 ||| ——
本文提出了一种采用飞秒激光直写技术制造的具有不同曲率单元透镜（MLADC）的新型微透镜阵列。MLADC由六边形双曲面单元微透镜组成，其具有与其他单元不同的高度和曲率。展示了成像和聚焦能力的独特光学性能。 通过单位透镜将物体在与MLADC不同的位置成像，作为调整整个MLADC的像平面的曲率的能力。此外，该实验与仿真结果具有良好的一致性，这是基于有限元方法的分析。新型MLADC将在改善光学系统性能方面具有重要应用，特别是在场曲校正和实时三维成像中。
—— ||| 图文一览||| ——
图一 具有不同曲率的微透镜阵列的示意图
（a）场曲率示意图。红色和蓝色线代表不同的视场光，其不能通过平面而不是弯曲平面上的透镜聚焦。
（b）MLADC的透视图。单位镜片的高度和曲率随着它们的位置而不同。
（c），（d）普通MLAs和MLADC的横截面概况。普通MLAs和MLADC之间的焦平面的差异是（c）前者和（d）后者分别是平坦和弯曲的。
小结：场曲是光学像差之一，其中平面物体不能聚焦在平面图像平面上而不是弯曲平面上[图1（a）]。由于制造限制，几乎所有商业图像检测器都是平面的，这导致具有多个透镜的复杂光学系统以实现平坦的图像平面。MLADC可以是解决问题的完美方案，其透视图和横截面轮廓，分别如图1（b）和1（d）所示。位于中心区域的单位透镜高于位于边缘区域的单位透镜，并且其具有较短的焦距。 1（b）和1（d）]。普通MLA和MLADC的横截面轮廓示，分别如图1（c）和1（d）所示。初始图像平面是弯曲的，其由来自不同视场的光的焦点累积[图1（a）]。普通MLAs的焦平面是平坦的[图1（c）]，其对改变图像平面的曲率没有影响。然而，MLADC的焦平面是弯曲的[图1（d）]，可用于偏移初始场曲率。另外，可以通过改变单位透镜的高度和曲率来调节焦平面的曲率。
图二 具有不同排列的MLADC的几何形态
（a）和（b）分别是一行微透镜和五圆MLADC的SEM。
（a1）和（b1），（a2）和（b2），和（a3）和（b3）取自顶部，60°和侧面方向。 请注意（a3）和（b3）中镜头的高度差异。
（c1） - （c6）在每2μm位置拍摄五圈MLADC的LSCM图像。 比例尺：（a1）25μm，（b1）35μm，（c1）40μm。
小结：实验产生的MLADC的外观如图2所示。扫描电子显微镜（SEM，JSM-7500F，JEOL）图像的线和排列的圆圈进行了说明[图2]。图2（a）和2（b）]是从顶部，60°和侧向取得的。六个六角形单元透镜排成一排，直径为20μm[图2（A1）]。透镜高度从3到10微米变化，从左到右的间隔相等[图2（A3）]。五圈MLADC由91个单位透镜组成，其直径为20μm，如图2（b）所示。从内到外，每个圆的透镜数分别为1, 6, 12, 24和48 [图2（C1）]。同一圆中的透镜具有相同的高度，其从10微米变为2微米。[图2（b2）和2（b3）]。为了定量检查不同圆形透镜的高度差，使用激光扫描共焦显微镜（LSCM，OLS3000，EVC electronic）[图2（c）]。罗丹明B（MFCD00011931，Sigma-Aldrich）掺入SU-8中，总浓度为1wt％。制造前的百分比采用高对比度LSCM图像。在不同位置获得清晰的荧光图像，并且每个图片的距离为2μm，如图2（C1）-2（C6）所示。从荧光图像的变化可以明显地看出高度差异。激光聚焦在低位置，可以观察整个透镜阵列[图2（C1）]。随着焦点向上移动，外圆单元透镜逐渐消失[图2（C2）-2（C5）]。最后，在距离透镜阵列底部10μm的焦点处，仅可以清楚地观察到透镜的中心。镜片的高度从内到外逐渐减小。
图三 MLADC的光学特性
（a）透射光显微镜拍摄的五圈MLADC的光学照片。 （b） - （f）在MLADC的不同位置拍摄成像照片：（b）33.2μm，（c）25.5μm，（d）20.5μm，（e）18.4μm和（f）17.0μm。比例尺为35μm。
小结：相对于普通的MLA，MLADC的一个重要特征是人造曲面像平面阵列，它可用于校正光学系统中的固有场曲率。现有的场曲是从图像检测器观察的凸面。为了校正拟合平面图像检测器的凸面图像表面，可以将MLADC放置在弯曲图像平面的前面，其具有将凸面图像平面转换为平面的能力。调节像面曲率的能力如图3所示。利用五圆MLADC表征其独特的性能，其光学显微镜照片如图3（a）所示。用作成像对象的字母“F”固定在可移动的样品台上并放置在MLADC的前面，MLADC由聚焦的钠灯照射。将物镜和CCD相机固定在可移动台上并放置在MLADC的另一侧。通过调节物镜的位置，检测到不同位置的成像结果，如图3（b）到图3（f）所示。在MLADC和物镜之间的距离较大的条件下，只有位于第五个圆的单位透镜可以清晰地成像图3（b）]。随着物镜移向MLADC，位于不同圆的单位透镜逐渐成像，最后成像中心透镜3（f）]。在不同位置的成像结果清楚且有说服力地证明了MLADC的曲率图像平面容量。
图四 MLADC的聚焦光学特性
MLADC由连续排列的五个单元透镜组成，其高度从右向左逐渐增加。（a1）-（e1）在与镜片不同的位置拍摄聚焦图像：（a1）分别为30.3μm，（b1）24.5μm，（c1）20.2μm，（d1）17.9μm和（e1）16.0μm。（a2） - （e2）聚焦图像（a1） - （e1）的相对强度分布。比例尺为20μm（b1）。
小结：为了更清楚和数字地展示独特的聚焦特性，已经获得了聚焦图像和强度分布[图4]。在镜头的不同位置拍摄焦点图像，其焦距分别为43.8,24.5,19.1,17.3和16.8μm。如图4（a1）-4（e1）所示，距离从30.3μm减小到16.0μm，并且单位透镜聚焦在不同的位置。从聚焦图像沿着用红色虚线标记的单位透镜布置的方向获得强度分布[图4（A1）]。通过曲线更直观地显示光强度分布和焦斑尺寸的表征[图4（A2）-4（E2）]。同一曲线中峰的高度表示不同焦点的相对强度。在一个单位镜头聚焦的位置，其他单位镜头的相对强度非常弱。可以从图4（a2）中用两个箭头标记的半高峰宽度获得焦点尺寸，其与NA具有相反的关系。如图4（a1）-4（e1）所示，NAs为0.22,0.35,0.41,0.43和0.44，光点尺寸从1.7减小[图4（a2）]至0.9μm[图4（e2）]。逐渐地，图4（e2）具有与模拟相同的变化规则[图5]。
图五 使用有限元法模拟MLADC的聚焦光束特性
（a）MLADC背后的能量分布，比例尺为20μm。（b） - （d）来自MLADC的三个不同位置的相对能量强度：（b）30μm，（c）20μm，和（d）16μm。三个位置依次通过边缘，内部和中央透镜的焦点位置。
小结：镜片背后的能量分布由商业模拟软件COMSOL Multiphysics（COMSOL Inc.）模拟，该软件基于有限元方法[图5（a）]。在该图下方，黑色曲线表示不同的曲率单位透镜。透镜的折射率为1.59，等于干燥后的SU-8的折射率。平行光束从透镜底部入射到微透镜阵列上，对于波长为500nm。由于它们的不同曲率，每个单元透镜的后部的能量分布是不同的。边缘透镜的高度和曲率小于中间的高度和曲率，其NA从0.22变为0.44。通过不同焦点标准化的能量分布示于图5（b）-5（d）中。在远离镜头的位置，只有镜头的边缘可以聚焦入射的平行光束[图5（b）]。朝向透镜阵列移动，探测器逐渐到达中心透镜的焦点位置[图 5（c）和5（d）]。半高处的峰宽从1.2减小[图5（b）]至0.6μm[图5（d）]，与NA的变化有关，并且与实验具有相同的变化规律。在通过MLADC之后，平行光束被聚焦。并且焦点不是分布在平面内，而是分布在曲面上。聚焦光束特性与实验非常一致。
—— ||| 点评||| ——
论文中提出了了一种新颖的微透镜阵列MLADC，它由不同的曲率单位透镜组成。每个单元镜头可以独立成像和聚焦。图像和焦点位于微透镜阵列后面的不同平面中，这展示了整个光学元件的条带图像平面能力。在实验中展示了独特的成像和聚焦能力，与仿真结果表现出良好的一致性。该微透镜阵列将有助于改善光学系统的性能，尤其是在场曲率校正中。此外，MLADC将在新型微系统中具有广泛而独特的应用，例如实时3D成像和并行激光处理。
文献链接：Focal varying microlens array. Optical Letters. 40(18), 4222-4225 (2015). Tian, ZN ; Yao, WG; Xu, JJ ; Yu, YH ; Chen, QD ; Sun, HB
https://www.osapublishing.org/ol/abstract.cfm?uri=ol-40-18-4222
作者简介: 黄轶，华中科技大学，博士，目前研究方向：三维激光直写技术
