4. 阵列排布设计
微透镜阵列这东西，看着简单，其实门道很深。我刚开始接触时也以为就是一堆小透镜排在一起，后来才发现——选型选不对，后面全白费。
今天咱们就把分类这件事彻底讲清楚。从光学原理到排布方式，我会结合自己踩过的坑，帮你建立起一套清晰的选型框架。
4.1 按光学原理分：折射型、衍射型、混合型
这是最根本的分类方式。说白了，就是看透镜怎么让光线拐弯。
4.1.1 折射型微透镜阵列
原理最简单——光在两种介质界面发生折射，跟普通放大镜一个道理。每个微透镜都是一个微小的凸面或凹面结构。
- 优点：对波长不敏感，白光也能用；加工相对成熟；效率高（可达95%以上）
- 缺点：存在球差；F数做不大（一般F# > 2）；厚度较大
- 典型应用：匀光照明、激光整形、波前传感
4.1.2 衍射型微透镜阵列
这个就高级一些了。利用光的衍射效应，在表面上刻出精细的台阶结构（菲涅尔波带片），让光通过时发生干涉，实现聚焦或偏转。
| 参数 | 折射型 | 衍射型 |
|---|---|---|
| 厚度 | 较厚（几十μm） | 极薄（< 5μm） |
| F数 | F# > 2 | F# 可低至 0.5 |
| 波长敏感性 | 不敏感 | 非常敏感 |
| 效率 | ~95% | ~80%（单级） |
| 加工难度 | 中等 | 高（需纳米精度） |
4.1.3 混合型微透镜阵列
这个是我个人比较偏爱的方案。把折射和衍射结合起来——折射负责主要光焦度，衍射负责校正像差。
举个例子：一个折射透镜的球差很大，我在它表面叠加一个衍射结构，正好把球差抵消掉。效果嘛，接近理想透镜。
- 优势：像质好、厚度薄、设计自由度大
- 劣势：加工复杂、成本高、对工艺误差敏感
- 适用场景：高端成像系统、红外光学、航天光学
4.2 按面型分：球面与非球面
这个分类直接决定了透镜的成像质量和加工成本。
4.2.1 球面微透镜
面型是球面的一部分。加工简单，用热回流法就能做。但球差是硬伤——边缘光线和近轴光线焦点不重合。
我记得刚入行时，师傅跟我说：球面透镜就像老实人，靠谱但能力有限。非球面呢，像天才，能力强但脾气大（难加工）。
4.2.2 非球面微透镜
面型用多项式描述，可以自由优化。理论上可以消除球差，实现衍射极限性能。
非球面系数一般这样定义：
z(r) = (r²/R) / (1 + sqrt(1 - (1+k)r²/R²)) + A₄r⁴ + A₆r⁶ + A₈r⁸ + ...其中 k 是圆锥系数，A₄、A₆ 是非球面系数。设计时一般优化到 A₆ 就够了，再高阶的加工不出来。
- F# > 4 且对像质要求不高 → 球面（省钱省事）
- F# < 2 或要求衍射极限 → 非球面（别无选择）
- 中间情况 → 看预算，预算够上非球面
4.3 按排布方式分：方形与六边形
这个分类很多人不重视，觉得不就是排列方式嘛。其实不然——排布方式直接影响填充因子和系统效率。
4.3.1 方形排布
透镜在x和y方向等间距排列。优点是设计简单、与CMOS像素对齐方便、数据处理直观。
但有个致命问题——填充因子低。方形排布的理论最大填充因子是78.5%（圆形透镜），实际能做到70%就不错了。
4.3.2 六边形排布
透镜按蜂窝状排列。填充因子可以做到90%以上，光能利用率高。
我做过一个激光匀光项目，同样的光源和透镜参数，六边形排布比方形排布均匀度高了12%。为什么？因为六边形排布在空间采样上更均匀，高频信息损失少。
| 对比项 | 方形排布 | 六边形排布 |
|---|---|---|
| 填充因子 | ~70% | ~90% |
| 与CMOS对齐 | 容易 | 困难 |
| 数据处理 | 简单（矩阵索引） | 复杂（需坐标变换） |
| 均匀性 | 一般 | 好 |
| 加工难度 | 低 | 中等 |
4.4 知识结构总览
下面这张图把今天讲的内容串起来了。你想想看，选型时是不是得从这三个维度同时考虑？
4.5 选型流程总结
说了这么多，到底怎么选？我一般按这个步骤来：
- 先看光源：单色性好 → 衍射型可以考虑；宽带光源 → 老老实实折射型
- 再看F数：F# > 3 → 球面够用；F# < 2 → 非球面或混合型
- 然后看效率：填充因子要求高 → 六边形排布；与传感器对齐 → 方形排布
- 最后看工艺：找代工厂聊一下，看看他们能做什么、良率多少
嗯，微透镜阵列的分类就讲到这里。内容不少，但核心就三句话：原理决定功能，面型决定像质，排布决定效率。下次设计时，你按这个框架走，基本不会跑偏。