Introduction aux réseaux de microlentilles丨Méthodes de préparation et de traitement et applications

Qu'est-ce qu'un réseau de microlentilles ?

Le réseau de microlentilles (MLA, microlens array) est un réseau de plusieurs microlentilles avec des ouvertures de l'ordre du micron et des profondeurs de relief disposées selon un arrangement spécifique. En ajustant la forme, la distance focale, la disposition structurelle et le cycle de fonctionnement des microlentilles dans le réseau de microlentilles, certaines fonctions optiques peuvent être réalisées pour améliorer l'intégration et les performances du système optique. En fonction des différents principes de modulation du faisceau, on peut distinguer les microlentilles de diffraction et les microlentilles de réfraction.

L'idée des réseaux de lentilles est née de la structure des yeux composés en bionique. Depuis le début du 20e siècle, le système visuel des yeux composés des animaux naturels a été systématiquement étudié. L'œil composé de la mouche domestique se compose d'environ 4 000 petits yeux, dont les surfaces sont généralement de forme hexagonale et peuvent servir de minuscules unités optiques. Inspiré par la structure de l'œil composé, le Français Lippmann a proposé le concept de réseau de microlentilles en 1908.

Matériaux couramment utilisés pour les microlentilles

La première étape du processus de conception et de fabrication des microlentilles consiste à sélectionner les matériaux utilisés pour fabriquer la microlentille. Les matériaux couramment utilisés sont le polydiméthylsiloxane (PDMS), le polyméthacrylate de méthyle (PMMA), la résine photosensible et le dioxyde de silicium (SiO2).

Polydiméthylsiloxane (PDMS, polydiméthylsiloxane)Il s'agit d'un polymère thermodurcissable contenant de la silicone, à faible énergie de surface et hydrophobe, qui présente de bonnes propriétés mécaniques et thermiques à des températures élevées tout en offrant une bonne finition de surface. En outre, il empêche le polymère de coller à la surface du moule pendant le processus de séparation et facilite le démoulage. Le PDMS original présente une bonne transmission de la lumière dans la région visible (400-700 nm), supérieure à celle du 93%. Le PDMS possède une bonne élasticité, une bonne flexibilité, une bonne stabilité et de bonnes propriétés optiques. Par conséquent, le PDMS peut être utilisé comme moule de gaufrage pour la fabrication de diverses microlentilles en polymère, en particulier dans les méthodes de gaufrage à chaud. En raison de sa bonne élasticité, de sa flexibilité, de sa stabilité et de ses propriétés optiques, le PDMS a été largement utilisé en lithographie douce pour la fabrication de moules en élastomère.

Poly(méthacrylate de méthyle) (PMMA, polyméthacrylate de méthyle)Le PMMA est actuellement le plus excellent des matériaux polymères thermoplastiques transparents, avec une transmission de la lumière allant jusqu'à 92%, une transparence et une luminosité élevées, une bonne résistance à la chaleur et une bonne ténacité. Il présente également l'avantage d'être peu coûteux, d'avoir une résistance mécanique élevée et d'être facile à traiter. Il est souvent utilisé comme matériau de substitution du verre. Lorsque la température de chauffage est supérieure à la température de transition vitreuse, le PMMA présente une bonne plasticité et peut être traité par gaufrage à chaud. En ajustant la température de gaufrage appropriée, il est possible d'obtenir un remplissage complet de la cavité. En outre, le PMMA a plusieurs applications dans les méthodes de fabrication de microlentilles telles que l'impression à jet d'encre et l'écriture directe par faisceau d'énergie.

résine photosensible (gravure au laser utilisée en microélectronique)Sous l'irradiation de certaines longueurs d'onde de la lumière ultraviolette, une réaction se produit pour achever la conversion à l'état solide. La résine photosensible présente les caractéristiques suivantes : haute sensibilité, degré de durcissement élevé et vitesse de durcissement rapide. Elle est largement utilisée pour l'impression à jet d'encre et la refusion thermique de la résine photosensible pour la fabrication de microlentilles. La résine photosensible négative SU-8 est un matériau prometteur pour la fabrication de microlentilles en raison de sa transmittance élevée, de son indice de réfraction élevé et du faible retrait du volume du polymère dans le domaine du visible et du proche infrarouge. Le SU-8 possède également de bonnes propriétés mécaniques, thermiques et optiques qui le rendent adapté à la fabrication de composants micro-optiques.

Paramètres clés affectant l'imagerie par réseau de microlentilles

facteur de remplissage La hauteur reflète le taux d'utilisation du réseau de microlentilles sur la lumière incidente. Plus la valeur est élevée, plus la transmittance du réseau de microlentilles est importante, plus l'énergie lumineuse atteint la surface de l'image et plus la perte est faible.

Forme/Profil

Formes des lentilles : sphériques, asphériques, cylindriques, non cylindriques, de forme libre, toroïdales, mini-Fresnel, déformées ou biconiques.
Simple face (plano-convexe et plano-concave) ou double face (double face convexe, double face concave ou concave-convexe)

courbure

La courbure affecte la mise au point et l'angle d'ouverture

Méthode de préparation et de traitement d'un réseau de microlentilles

Méthode de fabrication de réseaux de microlentilles		avantage	inconvénients	Diamètre de la microlentille
méthode directe	Technologie d'impression thermique nanométrique	facilité d'utilisation structure simple haute précision Convient à la préparation à grande échelle	Les modèles sont difficiles à créer Équipement coûteux	~500 μm
	Processus d'injection de microgouttes (impression à jet d'encre)	traitement simple structure simple Peut être produit sur des substrats flexibles Convient à la préparation à grande échelle	Faible ouverture numérique Difficile de contrôler la taille et la forme de la surface	50-100 μm
	Impression des fluides électriques (Impression à jet d'encre)	Surface très lisse Efficacité de traitement élevée Processus de fabrication flexible et fiable	Des gouttelettes satellites peuvent se former si la tension est instable.	~5 μm
	méthode d'auto-assemblage	Facile à produire Bonnes performances d'imagerie Préparation de grandes surfaces	Difficulté à maintenir la cohérence	~200 μm
	méthode de refusion à chaud (méthode de fusion à chaud de la résine photosensible)	Processus de production simple structure simple cycle court haute efficacité Contrôle aisé des paramètres du processus	Des températures de chauffage plus élevées sont nécessaires Difficulté à contrôler la géométrie et l'uniformité de la lentille Faible ouverture numérique	30-200 μm
	Méthodes de fabrication par laser (écriture directe par faisceau d'électrons, écriture directe par faisceau d'ions focalisés, laser femtoseconde, impression 3D par polymérisation à deux photons, etc.)	haute résolution Grande flexibilité	Complexité élevée des processus Cycle de traitement long Équipement coûteux	~10 μm
méthode indirecte	Gravure humide	Surface très lisse bonne uniformité Bonne répétabilité	Équipement coûteux Préparation du masque nécessaire	5-60 μm
méthode indirecte	lithographie douce	Forme contrôlée Convient à la préparation de grandes surfaces	Modèles à préparer Compliqué et coûteux à fabriquer	~445 nm

Applications des réseaux de microlentilles

Les réseaux de microlentilles sont le plus souvent utilisés pour améliorer l'efficacité de la collecte de lumière des réseaux de dispositifs à couplage de charge. Ils collectent et concentrent la lumière qui tomberait autrement sur les zones non sensibles du CCD. Les réseaux de microlentilles sont également couramment utilisés dans les projecteurs numériques pour focaliser la lumière. Il existe également des combinaisons de réseaux de microlentilles conçues pour de nouvelles fonctions d'imagerie, telles que la capacité d'afficher une image à un grossissement unitaire sans inverser l'image. Les réseaux de microlentilles sont également utilisés dans les appareils d'imagerie compacts tels que les caméras de smartphones. Ils peuvent également être utilisés dans les microscopes optiques, où deux réseaux peuvent être utilisés pour obtenir un éclairage uniforme. Enfin, les réseaux de microlentilles sont également utilisés pour permettre la photographie en champ lumineux (caméras entièrement optiques), de sorte qu'aucune mise au point initiale n'est nécessaire pour capturer une image. La mise au point est réalisée lors du post-traitement de l'image à l'aide d'un logiciel.

Aujourd'hui, les réseaux de microlentilles font partie intégrante de la plupart des systèmes optiques. Les applications pour lesquelles ils sont utilisés sont les suivantes :