Введение в микролинзовые решетки丨Приготовление и обработка, методы и применение

Что такое микролинзовый массив?

Массив микролинз (MLA, microlens array) - это массив из нескольких микролинз с апертурами микронного уровня и глубиной рельефа, расположенных в соответствии с определенной схемой. Регулируя форму, фокусное расстояние, структурное расположение и рабочий цикл микролинз в MLA, можно реализовать определенные оптические функции для улучшения интеграции и производительности оптической системы. В соответствии с различными принципами модуляции луча микролинзы можно разделить на дифракционные и преломляющие.

Идея создания массивов линз возникла в бионике на основе строения сложных глаз. С начала XX века систематически изучается зрительная система сложных глаз естественных животных. Составной глаз комнатной мухи состоит примерно из 4000 маленьких глазков, а поверхности маленьких глаз в составном глазу обычно имеют шестиугольную форму, которые могут выступать в качестве крошечных оптических единиц. Вдохновленный структурой глаза, француз Липпманн в 1908 году предложил концепцию массива микролинз.

Распространенные материалы для микролинз

Первым шагом в процессе разработки и изготовления микролинз является выбор материалов, из которых они будут изготовлены. Обычно используются такие материалы, как полидиметилсилоксан (PDMS), полиметилметакрилат (PMMA), фоторезист и диоксид кремния (SiO2).

Полидиметилсилоксан (PDMS, polydimethylsiloxane)Это кремнийсодержащий термореактивный полимер с низкой поверхностной энергией и гидрофобностью, который проявляет хорошие механические и термические свойства при повышенных температурах, обеспечивая хорошую отделку поверхности. Кроме того, он предотвращает прилипание полимера к поверхности формы во время процесса разделения и помогает в освобождении формы. Кроме того, оригинальный PDMS обладает хорошим светопропусканием в видимой области (400-700 нм), что выше, чем у 93%. Поскольку PDMS обладает хорошей эластичностью, гибкостью, стабильностью и оптическими свойствами. Поэтому PDMS можно использовать в качестве формы для тиснения при изготовлении различных полимерных микролинз, особенно в методах горячего тиснения. Благодаря хорошей эластичности, гибкости, стабильности и оптическим свойствам, PDMS широко используется в мягкой литографии для изготовления форм из эластомеров.

Поли(метилметакрилат) (ПММА, полиметилметакрилат)ПММА в настоящее время является самым превосходным прозрачным термопластичным полимерным материалом, светопропускание до 92%, высокая прозрачность и яркость, хорошая термостойкость, хорошая прочность. Его преимуществами также являются низкая стоимость, высокая механическая прочность и простота обработки. Его часто используют в качестве заменителя стекла. Когда температура нагрева выше температуры стеклования, ПММА демонстрирует хорошую пластичность и может быть обработан горячим тиснением. Настроив соответствующую температуру тиснения, можно добиться полного заполнения полости. Кроме того, ПММА находит применение в таких методах изготовления микролинз, как струйная печать и прямая запись энергетическим лучом.

ФоторезистПри облучении ультрафиолетовым светом определенной длины волны происходит реакция, завершающая твердофазное превращение. Фоторезист обладает такими характеристиками, как высокая чувствительность, высокая степень отверждения и быстрая скорость отверждения. Он широко используется в струйной печати и термическом расплавлении фоторезиста для изготовления микролинз. Негативный фоторезист SU-8 является перспективным материалом для изготовления микролинз благодаря высокому коэффициенту пропускания, высокому коэффициенту преломления и низкой объемной усадке полимера в видимом и ближнем инфракрасном диапазоне. SU-8 также обладает хорошими механическими, термическими и оптическими свойствами, что делает его пригодным для изготовления микрооптических компонентов.

Основные параметры, влияющие на формирование изображений с помощью микролинзовых матриц

коэффициент заполнения Высота отражает степень использования массива микролинз для падающего света. Чем больше значение, тем выше коэффициент пропускания матрицы микролинз, тем больше световой энергии достигает поверхности изображения, тем меньше потери.

Форма/профиль

Форма линз: сферическая, асферическая, цилиндрическая, нецилиндрическая, свободной формы, тороидальная, мини-Френеля, деформированная или биконическая
Односторонние (плосковыпуклые и плосковогнутые) или двусторонние (двусторонне выпуклые, двусторонне вогнутые или вогнуто-выпуклые)

кривизна

Кривизна влияет на фокусировку и NA

Метод подготовки и обработки массива микролинз

Метод изготовления массивов микролинз		Преимущества	Недостатки	Диаметр микролинз
прямой метод	Технология нанотермопечати	простое управление Низкая стоимость высокая точность Подходит для крупномасштабной подготовки	Шаблоны сложно создавать Дорогостоящее оборудование	~500 мкм
	Процесс впрыска микрокапель (струйная печать)	простая обработка Низкая стоимость Можно производить на гибких подложках Подходит для крупномасштабной подготовки	Низкая числовая апертура Сложно контролировать размер и форму поверхности	50-100 мкм
	Печать на электрических жидкостях (Струйная печать)	Высокая гладкость поверхности Высокая эффективность обработки Гибкий и надежный производственный процесс	При нестабильном напряжении могут образовываться капли-спутники	~5 мкм
	метод самосборки	Легко производить Хорошие характеристики изображения Подготовка большой площади	Сложность в поддержании последовательности	~200 мкм
	метод горячей прокалки (метод горячего расплавления фоторезиста)	Простой производственный процесс Низкая стоимость короткий цикл высокая эффективность Простой контроль параметров процесса	Требуется более высокая температура нагрева Сложность контроля геометрии и однородности линзы Низкая числовая апертура	30-200 мкм
	Лазерные методы производства (прямая запись электронным пучком, прямая запись сфокусированным ионным пучком, фемтосекундный лазер, двухфотонная полимеризация 3d-печати и т.д.)	высокое разрешение Высокая гибкость	Высокая сложность процесса Длительный цикл обработки Дорогостоящее оборудование	~10 мкм
непрямой метод	Мокрое травление	Высокая гладкость поверхности хорошая однородность Хорошая повторяемость	Дорогостоящее оборудование Требуется подготовка маски	5-60 мкм
непрямой метод	мягкая литография	Контролируемая форма Подходит для подготовки больших площадей	Шаблоны для подготовки Сложное и дорогое производство	~445 нм

Области применения массивов микролинз

Массивы микролинз чаще всего используются для повышения эффективности сбора света в матрицах приборов с зарядовой связью. Они собирают и фокусируют свет, который в противном случае падал бы на нечувствительные участки ПЗС-матрицы. Массивы микролинз также широко используются в цифровых проекторах для фокусировки света. Существуют также комбинации массивов микролинз, предназначенные для новых функций визуализации, таких как возможность отображения изображения при единичном увеличении без инвертирования изображения. Массивы микролинз также используются в компактных устройствах формирования изображений, таких как камеры смартфонов. Также они могут использоваться в оптических микроскопах, где для достижения равномерного освещения можно использовать два массива. Наконец, массивы микролинз также используются для создания фотографий в светлом поле (полностью оптические камеры), так что для получения изображения не требуется начальная фокусировка. Вместо этого фокусировка осуществляется в процессе постобработки изображения с помощью программного обеспечения.

Сегодня массивы микролинз становятся неотъемлемой частью большинства оптических систем. К числу приложений, в которых они используются, относятся: