本发明公开了一种阵列式级联微透镜组的制备方法、阵列化曝光装置及应用。所述制备方法包括：在衬底表面覆设光刻胶层；在第一区域中进行第一欠曝光，在第二区域中进行第二欠曝光，第一区域与第二区域具有重叠部分但不完全重合，重叠部分产生叠加欠曝光，以形成区域化分级欠曝光；进行显影，形成区域化胶柱阵列；使胶柱转化成弧面体，并利用所述弧面体对所述衬底进行图案化刻蚀，获得阵列式级联微透镜组。本发明使用欠曝光技术结合区域化叠加曝光的方式直接进行区域化不同剂量曝光，最终制备出晶圆级的阵列式级联微透镜组，具有成本低廉、操作方便、制备效率高、成品率高的显著优势，可以被广泛应用于各种成像传感、显示和光伏器件的制作流程中。