Microlens - Microlens
En mikrolins är en liten lins , vanligtvis med en diameter mindre än en millimeter (mm) och ofta så liten som 10 mikrometer (µm). Linsernas små storlekar gör att en enkel design kan ge god optisk kvalitet men ibland uppstår oönskade effekter på grund av optisk diffraktion vid de små funktionerna. En typisk mikrolins kan vara ett enda element med en plan yta och en sfärisk konvex yta för att bryta ljuset. Eftersom mikrolinser är så små är substratet som stöder dem vanligtvis tjockare än linsen och detta måste tas med i beräkningen. Mer sofistikerade linser kan använda asfäriska ytor och andra kan använda flera lager av optiskt material för att uppnå sin designprestanda.
En annan typ av mikrolinser har två plana och parallella ytor och fokuseringsverkan erhålls genom en variation av brytningsindex över linsen. Dessa är kända som gradientindex (GRIN) -linser . Vissa mikrolinser uppnår sin fokuseringsverkan genom både en variation i brytningsindex och genom ytformen.
En annan klass mikrolinser, ibland känd som mikro- Fresnel-linser , fokuserar ljus genom brytning i en uppsättning koncentriska böjda ytor. Sådana linser kan göras mycket tunna och lätta. Binära optiska mikrolinser fokuserar ljus genom diffraktion . De har spår med stegade kanter eller flernivåer som uppskattar den perfekta formen. De har fördelar vid tillverkning och replikering genom att använda standard halvledarprocesser såsom fotolitografi och reaktiv jonetsning (RIE).
Mikrolinsmatriser innehåller flera linser bildade i en endimensionell eller tvådimensionell grupp på ett stödunderlag. Om de enskilda linserna har cirkulära öppningar och inte får överlappa varandra kan de placeras i en sexkantig grupp för att uppnå maximal täckning av substratet. Det kommer emellertid fortfarande att finnas luckor mellan linserna som bara kan minskas genom att göra mikrolinserna med icke-cirkulära bländare. Med optiska sensorer arrangerar små linssystem att fokusera och koncentrera ljuset på fotodiodytan, istället för att låta det falla på icke-ljuskänsliga områden i pixelenheten. Fyllningsfaktor är förhållandet mellan det aktiva brytningsområdet, dvs det område som leder ljuset till fotosensorn, till det totala sammanhängande området som upptas av mikrolinsmatrisen.
Tillverkning
På 1600-talet utvecklade Robert Hooke och Antonie van Leeuwenhoek båda tekniker för att göra små glaslinser för användning med sina mikroskop . Hooke smälte små filament av venetianskt glas och tillät ytspänningen i det smälta glaset för att bilda de släta sfäriska ytorna som krävs för linser och monterade och slipade sedan linserna med konventionella metoder. Principen har upprepas genom att utföra fotolitografi i material såsom fotoresist eller UV- härdbar epoxi och smälta polymeren för att bilda matriser med flera linser. På senare tid har mikrolinsmatriser tillverkats med konvektiv montering av kolloidala partiklar från suspension.
Framsteg inom tekniken har gjort det möjligt för mikrolinser att utformas och tillverkas för att tåla toleranser med olika metoder. I de flesta fall krävs flera kopior och dessa kan formas genom formning eller prägling från en huvudlinsmatris. Huvudlinsmatrisen kan också replikeras genom alstring av en elektroform med användning av huvudlinsmatrisen som en dorn . Möjligheten att tillverka arrays som innehåller tusentals eller miljoner exakt placerade linser har lett till ett ökat antal applikationer.
Den optiska effektiviteten hos diffraktionsobjektiv beror på formen på spårstrukturen och, om den ideala formen kan approximeras med en serie steg eller flernivåer, kan strukturerna tillverkas med hjälp av teknik som utvecklats för den integrerade kretsindustrin , såsom wafer-nivå optik . Studien av sådana diffrakterande linser är känd som binär optik .
Mikrolinser i de senaste bildbehandlingschipsen har uppnått mindre och mindre storlekar. Samsung NX1 spegelfri systemkamera packar 28,2 miljoner mikrolinser på sitt CMOS-bildchip, ett per foto, var och en med en sidolängd på bara 3,63 mikrometer. För smartphones miniseras denna process ännu mer: Samsung Galaxy S6 har en CMOS-sensor med pixlar på endast 1,12 mikrometer vardera. Dessa pixlar är täckta med mikrolinser med en lika liten tonhöjd.
Mikrolinser kan också tillverkas av vätskor. Nyligen realiserades en glasliknande elastisk, fri form mikrolinser via ultra-snabb laser 3D-nanolitografiteknik. Den ihållande ~ 2 GW / cm 2 intensitet för femtosecond pulsad strålnings visar dess potential i hög effekt och / eller hårda miljön applikationer.
Biomikrolinser har utvecklats för att avbilda biologiska prover utan att orsaka skada. Dessa kan tillverkas av en enda cell fäst vid en fiberprob.
Wafer-nivå optik
Wafo-level optics (WLO) möjliggör design och tillverkning av miniatyriserad optik på wafer-nivå med avancerade halvledarliknande tekniker. Slutprodukten är kostnadseffektiv, miniatyriserad optik som möjliggör den reducerade formfaktorn för kameramoduler för mobila enheter .
Tekniken är skalbar från ett enda CIF / VGA-objektiv till en megapixellinsstruktur med flera element , där linsskivorna är precisionsjusterade, sammanfogade och tärnade för att bilda linsstaplar med flera element. Från och med 2009 användes tekniken på cirka 10 procent av marknaden för mobiltelefonkameralinser.
Halvledarstapelmetodik kan nu användas för att tillverka optiska element på skivnivå i ett paket med chipskala. Resultatet är en wafer-nivå kameramodul som mäter 0,575 mm x 0,575 mm. Modulen kan integreras i en kateter eller endoskop med en diameter så liten som 1,0 mm.
Applikationer
Enstaka mikrolinser används för att koppla ljus till optiska fibrer ; mikrolinsmatriser används ofta för att öka ljusuppsamlingseffektiviteten hos CCD-matriser och CMOS-sensorer , för att samla in och fokusera ljus som annars skulle ha fallit på sensorns icke-känsliga områden. Mikrolinsmatriser används också i vissa digitala projektorer för att fokusera ljus till de aktiva områdena på LCD-skärmen som används för att generera bilden som ska projiceras. Aktuell forskning bygger också på mikrolinser av olika slag för att fungera som koncentratorer för högeffektiv solceller för elproduktion.
Kombinationer av mikrolinsmatriser har utformats som har nya bildegenskaper, såsom förmågan att bilda en bild vid enhetsförstoring och inte inverterad som är fallet med konventionella linser. Micro-linsgrupper har utvecklats för att bilda kompakta avbildningsanordningar för applikationer såsom kopieringsmaskiner och mobiltelefonkameror .
I optiska mikroskop kan två mikrolinsmatriser användas för att uppnå enhetlig belysning. Genom att placera två mikrolinsmatriser i ett mikroskops belysningsväg kan en variationskoefficient för belysningens enhetlighet uppnås mellan 1% och 2%.
En annan applikation är inom 3D-avbildning och skärmar . 1902 föreslog Frederic E. Ives att man skulle använda en uppsättning växelvis sändande och ogenomskinliga remsor för att definiera betraktningsriktningarna för ett par sammanflätade bilder och därmed göra det möjligt för observatören att se en stereoskopisk 3D- bild . Remsorna ersattes senare av Hess med en rad cylindriska linser som kallas en linsformad skärm för att utnyttja belysningen mer effektivt.
Hitachi har 3D-skärmar utan 3D-glasögon med hjälp av mikrolinser för att skapa stereoskopisk effekt.
På senare tid har tillgången på matriser med sfäriska mikrolinser gjort det möjligt att utforska och demonstrera Gabriel Lippmanns idé om integrerad fotografering . Kolloidala mikrolinser har också möjliggjort detektering av enstaka molekyler när de används i kombination med ett objektiv för långa insamlingseffektiviteter med långt arbetsavstånd.
Mikrolinsmatriser används också av Lytro för att uppnå ljusfotograferingsfotografering ( plenoptisk kamera ) som eliminerar behovet av initial fokusering innan man tar bilder. Istället uppnås fokus i programvara under efterbehandling.
Karakterisering
För att karakterisera mikrolinser är det nödvändigt att mäta parametrar som brännvidd och kvalitet på sänd vågfront . Speciella tekniker och nya definitioner har utvecklats för detta.
Till exempel, eftersom det inte är praktiskt att lokalisera huvudplanen för sådana små linser, görs ofta mätningar med avseende på linsen eller substratytan. När en lins används för att koppla ljus till en optisk fiber kan den fokuserade vågfronten uppvisa sfärisk aberration och ljus från olika regioner i mikrolinsens bländare kan fokuseras till olika punkter på den optiska axeln . Det är användbart att känna till avståndet på vilket den maximala mängden ljus koncentreras i fiberöppningen och dessa faktorer har lett till nya definitioner för brännvidd. För att möjliggöra jämförelse av mätningar på mikrolinser och utbyte av delar har en serie internationella standarder utvecklats för att hjälpa användare och tillverkare genom att definiera mikrolinsegenskaper och beskriva lämpliga mätmetoder.
Mikrooptik i naturen
Exempel på mikrooptik finns i naturen, allt från enkla strukturer för att samla ljus för fotosyntes i löv till sammansatta ögon i insekter . När metoder för att bilda mikrolinser och detektoruppsättningar utvecklas vidare kommer förmågan att efterlikna optiska mönster som finns i naturen att leda till nya kompakta optiska system.