Микролинза — это небольшая линза , обычно диаметром менее миллиметра ( мм), а часто и всего 10 микрометров (мкм). Небольшие размеры линз означают, что простая конструкция может обеспечить хорошее оптическое качество, но иногда нежелательные эффекты возникают из-за оптической дифракции на мелких элементах. Типичная микролинза может представлять собой один элемент с одной плоской поверхностью и одной сферической выпуклой поверхностью для преломления света. Поскольку микролинзы настолько малы, подложка, на которой они держатся, обычно толще линзы, и это необходимо учитывать при проектировании. Более сложные линзы могут использовать асферические поверхности, а другие могут использовать несколько слоев оптического материала для достижения своих проектных характеристик.
Другой тип микролинз имеет две плоские и параллельные поверхности, а фокусирующее действие достигается за счет изменения показателя преломления по всей линзе. Они известны как градиентные (GRIN) линзы . Некоторые микролинзы достигают своего фокусирующего действия как за счет изменения показателя преломления, так и за счет формы поверхности.
Другой класс микролинз, иногда называемых микролинзами Френеля , фокусирует свет путем преломления в наборе концентрических изогнутых поверхностей. Такие линзы можно сделать очень тонкими и легкими. Бинарно-оптические микролинзы фокусируют свет путем дифракции . Они имеют канавки со ступенчатыми краями или многоуровневые, которые приближаются к идеальной форме. Они имеют преимущества в изготовлении и тиражировании с использованием стандартных полупроводниковых процессов, таких как фотолитография и реактивно-ионное травление (RIE).
Микролинзовые массивы содержат несколько линз, сформированных в одномерном или двумерном массиве на поддерживающей подложке. Если отдельные линзы имеют круглые апертуры и не могут перекрываться, их можно разместить в гексагональном массиве, чтобы получить максимальное покрытие подложки. Однако между линзами все равно будут зазоры, которые можно уменьшить только сделав микролинзы с некруглыми апертурами. В оптических сенсорных массивах крошечные линзовые системы служат для фокусировки и концентрации света на поверхности фотодиода, вместо того, чтобы позволять ему падать на нефоточувствительные области пиксельного устройства. Коэффициент заполнения - это отношение активной преломляющей области, т. е. той области, которая направляет свет на фотодатчик, к общей смежной области, занимаемой микролинзовым массивом.
В XVII веке Роберт Гук и Антони ван Левенгук разработали методы изготовления небольших стеклянных линз для использования в своих микроскопах . Гук расплавил небольшие нити венецианского стекла и позволил поверхностному натяжению в расплавленном стекле сформировать гладкие сферические поверхности, необходимые для линз, а затем установил и отшлифовал линзы с использованием обычных методов. [1] Этот принцип был повторен путем выполнения фотолитографии в таких материалах, как фоторезист или УФ- отверждаемая эпоксидная смола , и расплавления полимера для формирования массивов из нескольких линз. [2] [3] Совсем недавно массивы микролинз были изготовлены с использованием конвективной сборки коллоидных частиц из суспензии. [4]
Достижения в области технологий позволили проектировать и изготавливать микролинзы с жесткими допусками различными методами. В большинстве случаев требуется несколько копий, и они могут быть сформированы путем формования или тиснения из массива мастер-линз. Массив мастер-линз также может быть воспроизведен путем создания электроформы с использованием массива мастер-линз в качестве оправки . Возможность изготавливать массивы, содержащие тысячи или миллионы точно расположенных линз, привела к увеличению числа приложений. [5]
Оптическая эффективность дифракционных линз зависит от формы структуры канавок, и если идеальная форма может быть аппроксимирована серией шагов или многоуровней, структуры могут быть изготовлены с использованием технологии, разработанной для промышленности интегральных схем , такой как оптика на уровне пластин . Изучение таких дифракционных линз известно как бинарная оптика. [6]
Микролинзы в последних чипах формирования изображения становятся все меньше и меньше. Беззеркальная системная камера Samsung NX1 содержит 28,2 миллиона микролинз на своем чипе формирования изображения CMOS, по одной на фотосайт, каждая с длиной стороны всего 3,63 микрометра. Для смартфонов этот процесс миниатюризируется еще больше: Samsung Galaxy S6 имеет датчик CMOS с пикселями всего 1,12 микрометра каждый. Эти пиксели покрыты микролинзами с таким же малым шагом.
Микролинзы также могут быть изготовлены из жидкостей. [7] Недавно были реализованы стеклоподобные упругие микролинзы свободной формы с помощью сверхбыстрой лазерной 3D нанолитографии. Устойчивая интенсивность ~2 ГВт/см 2 для фемтосекундного импульсного облучения показывает ее потенциал в приложениях с высокой мощностью и/или в жестких условиях. [8]
Биомикролинзы были разработаны для получения изображений биологических образцов без причинения им вреда. [9] [10] Их можно изготовить из одной клетки, прикрепленной к волоконному зонду.
Оптика на уровне пластин (WLO) позволяет проектировать и производить миниатюрную оптику на уровне пластин с использованием передовых полупроводниковых технологий. Конечный продукт — это экономически эффективная миниатюрная оптика, которая позволяет уменьшить форм-фактор модулей камер для мобильных устройств . [11]
Технология масштабируется от одноэлементного объектива CIF/VGA до многоэлементной мегапиксельной структуры объектива, где пластины линз точно выровнены, соединены вместе и нарезаны кубиками для формирования многоэлементных стеков линз. По состоянию на 2009 год эта технология использовалась примерно в 10 процентах рынка объективов для камер мобильных телефонов. [12]
Методология укладки полупроводников теперь может быть использована для изготовления оптических элементов на уровне пластины в корпусе масштаба чипа. Результатом является модуль камеры на уровне пластины размером 0,575 мм x 0,575 мм. Модуль может быть интегрирован в катетер или эндоскоп диаметром всего 1,0 мм. [13]
Отдельные микролинзы используются для соединения света с оптическими волокнами ; массивы микролинз часто используются для повышения эффективности сбора света ПЗС-матрицами и КМОП-датчиками , для сбора и фокусировки света, который в противном случае упал бы на нечувствительные области датчика. Массивы микролинз также используются в некоторых цифровых проекторах для фокусировки света на активные области ЖК-дисплея , используемые для создания проецируемого изображения. Текущие исследования также опираются на микролинзы различных типов, которые действуют как концентраторы для высокоэффективной фотоэлектрической системы для производства электроэнергии. [14]
Были разработаны комбинации массивов микролинз, которые обладают новыми свойствами формирования изображения, такими как способность формировать изображение с единичным увеличением , а не инвертированным, как в случае с обычными линзами. Массивы микролинз были разработаны для формирования компактных устройств формирования изображения для таких приложений, как фотокопировальные аппараты и камеры мобильных телефонов .
Другое применение — 3D-изображения и дисплеи . В 1902 году Фредерик Э. Айвз предложил использовать массив попеременно пропускающих и непрозрачных полос для определения направлений просмотра для пары перемежающихся изображений и, следовательно, для того, чтобы наблюдатель мог видеть 3D- стереоскопическое изображение . [15] Позднее Гесс заменил полосы массивом цилиндрических линз, известных как двояковыпуклый экран , для более эффективного использования освещения. [16]
У Hitachi есть 3D-дисплеи без 3D-очков, использующие массивы микролинз для создания стереоскопического эффекта. [ необходима цитата ]
Совсем недавно, доступность массивов сферических микролинз позволила исследовать и продемонстрировать идею Габриэля Липпмана об интегральной фотографии . [17] [18] Коллоидные микролинзы также позволили обнаруживать отдельные молекулы при использовании в сочетании с линзами объектива с большим рабочим расстоянием и низкой эффективностью сбора света. [19]
Микролинзовые массивы также используются Lytro для получения фотографии светового поля ( пленоптическая камера ), которая устраняет необходимость в начальной фокусировке перед захватом изображений. Вместо этого фокусировка достигается программным обеспечением во время постобработки. [20]
Для характеристики микролинз необходимо измерить такие параметры, как фокусное расстояние и качество передаваемого волнового фронта . [21] Для этого были разработаны специальные методы и новые определения.
Например, поскольку нецелесообразно определять основные плоскости таких маленьких линз, измерения часто производятся относительно поверхности линзы или подложки. Когда линза используется для соединения света с оптоволокном, сфокусированный волновой фронт может демонстрировать сферическую аберрацию , а свет из разных областей апертуры микролинзы может фокусироваться в разных точках на оптической оси . Полезно знать расстояние, на котором максимальное количество света концентрируется в апертуре волокна , и эти факторы привели к новым определениям фокусного расстояния. Чтобы можно было сравнивать измерения на микролинзах и заменять детали, был разработан ряд международных стандартов, помогающих пользователям и производителям путем определения свойств микролинз и описания соответствующих методов измерения. [22] [23] [24] [25]
Примеры микрооптики можно найти в природе, начиная от простых структур для сбора света для фотосинтеза в листьях и заканчивая сложными глазами у насекомых . Поскольку методы формирования микролинз и детекторных матриц продолжают развиваться, способность имитировать оптические конструкции, встречающиеся в природе, приведет к появлению новых компактных оптических систем. [26] [27]
{{cite web}}: CS1 maint: архивная копия как заголовок ( ссылка )