Microlens - Microlens
En mikrolins er en lille linse , generelt med en diameter mindre end en millimeter (mm) og ofte så lille som 10 mikrometer (µm). De små størrelser på linserne betyder, at et simpelt design kan give god optisk kvalitet, men nogle gange opstår der uønskede effekter på grund af optisk diffraktion ved de små funktioner. En typisk mikrolins kan være et enkelt element med en plan overflade og en sfærisk konveks overflade for at bryde lyset. Fordi mikrolinser er så små, er substratet, der understøtter dem, normalt tykkere end linsen, og dette skal tages i betragtning i designet. Mere sofistikerede linser kan bruge asfæriske overflader, og andre kan bruge flere lag optisk materiale for at opnå deres designydelse.
En anden type mikrolinser har to flade og parallelle overflader, og fokusfunktionen opnås ved en variation af brydningsindeks på tværs af linsen. Disse er kendt som gradueringsindeks (GRIN) linser . Nogle mikrolinser opnår deres fokuseringshandling både ved en variation i brydningsindeks og overfladeform.
En anden klasse mikrolinser, undertiden kendt som mikrofresnel-linser , fokuserer lys ved brydning i et sæt koncentriske buede overflader. Sådanne linser kan gøres meget tynde og lette. Binær-optiske mikrolinser fokuserer lys ved diffraktion . De har riller med trappede kanter eller flere niveauer, der tilnærmer den ideelle form. De har fordele ved fabrikation og replikering ved hjælp af standard halvlederprocesser såsom fotolitografi og reaktiv ionetsning (RIE).
Mikrolinsearrays indeholder flere linser dannet i et endimensionelt eller todimensionalt array på et understøttende substrat. Hvis de enkelte linser har cirkulære åbninger og ikke får lov til at overlappe hinanden, kan de placeres i et sekskantet array for at opnå maksimal dækning af substratet. Der vil dog stadig være huller mellem linserne, som kun kan reduceres ved at fremstille mikrolinser med ikke-cirkulære åbninger. Med optiske sensorarrays tjener små linsesystemer til at fokusere og koncentrere lyset på fotodiodeoverfladen i stedet for at lade det falde på ikke-lysfølsomme områder af pixelenheden. Udfyldningsfaktor er forholdet mellem det aktive brydningsareal, dvs. det område, der dirigerer lys til fotosensoren, til det samlede sammenhængende område optaget af mikrolinsearrayet.
Fabrikation
I det 17. århundrede udviklede Robert Hooke og Antonie van Leeuwenhoek begge teknikker til at fremstille små glaslinser til brug sammen med deres mikroskoper . Hooke smeltede små filamenter af venetiansk glas og tillod overfladespændingen i det smeltede glas at danne de glatte sfæriske overflader, der kræves til linser, derefter montering og slibning af linserne ved hjælp af konventionelle metoder. Princippet er gentaget ved at udføre fotolitografi i materialer såsom fotoresist eller UV- hærdelig epoxy og smelte polymeren til dannelse af arrays af flere linser. For nylig er mikrolinsearrays fremstillet ved hjælp af konvektiv samling af kolloide partikler fra suspension.
Fremskridt inden for teknologi har gjort det muligt at designe og fremstille mikrolinser til tætte tolerancer ved en række forskellige metoder. I de fleste tilfælde kræves der flere kopier, og disse kan dannes ved støbning eller prægning fra et hovedobjektiv. Hovedlinsearrayet kan også replikeres gennem generering af en elektroform ved anvendelse af masterlinsearrayet som en dorn . Evnen til at fremstille arrays, der indeholder tusinder eller millioner af nøjagtigt placerede linser, har ført til et øget antal applikationer.
Den optiske effektivitet af diffrakterende linser afhænger af formen på rillestrukturen, og hvis den ideelle form kan tilnærmes ved hjælp af en række trin eller flerniveauer, kan strukturer fremstilles ved hjælp af teknologi udviklet til den integrerede kredsløbsindustri , såsom waferniveau optik . Undersøgelsen af sådanne diffrakterende linser er kendt som binær optik .
Mikrolinser i de seneste billedbehandlingschips har opnået mindre og mindre størrelser. Samsung NX1 spejlfri systemkamera pakker 28,2 millioner mikrolinser på sin CMOS-billedchip, en pr. Fotosite, hver med en sidelængde på kun 3,63 mikrometer. For smartphones miniaturiseres denne proces yderligere: Samsung Galaxy S6 har en CMOS-sensor med kun pixels på 1,12 mikrometer hver. Disse pixels er dækket af mikrolinser med en lige så lille tonehøjde.
Mikrolinser kan også fremstilles af væsker. For nylig blev en glaslignende elastisk fri form mikrolinser realiseret via ultrahurtig 3D-nanolithografiteknik med laser. Den vedvarende ~ 2 GW / cm 2 intensitet til femtosekund pulserende bestråling viser sit potentiale i applikationer med høj effekt og / eller barske omgivelser.
Biomikrolinser er udviklet til at afbilde biologiske prøver uden at forårsage skade. Disse kan fremstilles af en enkelt celle, der er fastgjort til en fiberprobe.
Wafer-niveau optik
Wafer-niveau optik (WLO) muliggør design og fremstilling af miniaturiserede optik på wafer niveau ved hjælp af avancerede halvlederlignende teknikker. Slutproduktet er omkostningseffektiv, miniaturiseret optik, der muliggør den reducerede formfaktor for kameramoduler til mobile enheder .
Teknologien er skalerbar fra et enkelt-element CIF / VGA-objektiv til en multi-element megapixel-linsestruktur , hvor linseskiverne er præcisionsjusteret, bundet sammen og terninger til dannelse af multi-element linsestakke. Fra og med 2009 blev teknologien brugt i ca. 10 procent af markedet for mobiltelefonkameraobjektiv.
Semiconductor stacking-metoden kan nu bruges til at fremstille optiske elementer på waferniveau i en pakke med chipskala. Resultatet er et wafer-niveau kameramodul, der måler 0,575 mm x 0,575 mm. Modulet kan integreres i et kateter eller endoskop med en diameter så lille som 1,0 mm.
Ansøgninger
Enkelte mikrolinser bruges til at koble lys til optiske fibre ; mikrolinser arrays bruges ofte til at øge lysopsamlingseffektiviteten af CCD-arrays og CMOS-sensorer , til at opsamle og fokusere lys, der ellers ville være faldet på sensorens ikke-følsomme områder. Mikrolinser arrays bruges også i nogle digitale projektorer til at fokusere lys på de aktive områder af LCD'en, der bruges til at generere det billede, der skal projiceres. Nuværende forskning er også afhængig af mikrolinser af forskellige typer til at fungere som koncentratorer til højeffektiv solceller til elproduktion.
Kombinationer af mikrolinsegrupper er blevet designet som har hidtil ukendte afbildningsegenskaber, såsom evnen til at danne et billede på enhed forstørrelse og ikke omvendt som det er tilfældet med konventionelle linser. Mikro-linse arrays er blevet udviklet til at danne kompakte billeddannende indretninger til applikationer såsom fotokopimaskiner og mobil-telefon -kameraer .
I optiske mikroskoper kan to mikrolinser arrays bruges til at realisere ensartet belysning. Ved at placere to mikrolinser i mikroskopets belysningsvej kan der opnås en variationskoefficient for belysningens ensartethed mellem 1% og 2%.
En anden applikation er i 3D-billedbehandling og skærme . I 1902 foreslog Frederic E. Ives brugen af en række skiftevis transmitterende og uigennemsigtige strimler til at definere synsretningerne for et par sammenflettede billeder og dermed gøre det muligt for observatøren at se et stereoskopisk 3D- billede . Strimlerne blev senere erstattet af Hess med en række cylindriske linser kendt som en linseformet skærm for at gøre mere effektiv brug af belysningen.
Hitachi har 3D-skærme fri for 3D-briller ved hjælp af mikrolinser til at skabe den stereoskopiske effekt.
For nylig har tilgængeligheden af arrays af sfæriske mikrolinser gjort det muligt for Gabriel Lippmanns idé til integreret fotografering at blive undersøgt og demonstreret. Kolloidale mikrolinser har også muliggjort detektering af enkeltmolekyler, når de anvendes i forbindelse med objektiv med lang arbejdsafstand, lav lysopsamlingseffektivitet.
Mikrolinsearrays bruges også af Lytro til at opnå lysfeltfotografering ( plenoptisk kamera ), der eliminerer behovet for indledende fokusering inden optagelse af billeder. I stedet opnås fokus i software under efterbehandling.
Karakterisering
For at karakterisere mikrolinser er det nødvendigt at måle parametre såsom brændvidde og kvalitet af transmitteret bølgefront . Specielle teknikker og nye definitioner er udviklet til dette.
For eksempel, fordi det ikke er praktisk at lokalisere de vigtigste planer for sådanne små linser, foretages der ofte målinger i forhold til linsen eller substratoverfladen. Hvor en linse bruges til at koble lys til en optisk fiber, kan den fokuserede bølgefront udvise sfærisk aberration, og lys fra forskellige regioner i mikrolinsens blænde kan fokuseres til forskellige punkter på den optiske akse . Det er nyttigt at kende afstanden, hvor den maksimale mængde lys er koncentreret i fiberåbningen, og disse faktorer har ført til nye definitioner for brændvidde. For at muliggøre sammenligning af målinger på mikrolinser og udveksling af dele er der udviklet en række internationale standarder til at hjælpe brugere og producenter ved at definere mikrolinsegenskaber og beskrive passende målemetoder.
Mikrooptik i naturen
Eksempler på mikrooptik findes i naturen lige fra enkle strukturer til at samle lys til fotosyntese i blade til sammensatte øjne i insekter . Da metoder til dannelse af mikrolinser og detektorarrays udvikles yderligere, vil evnen til at efterligne optiske designs, der findes i naturen, føre til nye kompakte optiske systemer.
