Из Википедии, свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Матрица микролинз, используемая в спектографе

A микролинз представляет собой небольшой объектив , как правило , с диаметром менее миллиметра (мм) и часто , как малые , как 10 микрометров (мкм). Небольшие размеры линз означают, что простая конструкция может обеспечить хорошее оптическое качество, но иногда возникают нежелательные эффекты из-за оптической дифракции на мелких деталях. Типичная микролинза может быть единственным элементом с одной плоской поверхностью и одной сферической выпуклой поверхностью для преломления света. Поскольку микролинзы такие маленькие, подложка, которая их поддерживает, обычно толще линзы, и это необходимо учитывать при проектировании. В более сложных линзах можно использовать асферические линзы. Поверхности и другие могут использовать несколько слоев оптического материала для достижения своих проектных характеристик.

Микролинзы другого типа имеют две плоские и параллельные поверхности, а фокусирующее действие достигается за счет изменения показателя преломления через линзу. Они известны как линзы с градиентным индексом (GRIN) . Некоторые микролинзы достигают своего фокусирующего действия как за счет изменения показателя преломления, так и за счет формы поверхности.

Другой класс микролинз, иногда называемых микро- линзами Френеля , фокусирует свет за счет преломления в наборе концентрических изогнутых поверхностей. Такие линзы можно сделать очень тонкими и легкими. Бинарно-оптические микролинзы фокусируют свет за счет дифракции . У них есть канавки со ступенчатыми краями или многоуровневые, приближающие к идеальной форме. Они имеют преимущества при изготовлении и тиражировании с использованием стандартных полупроводниковых процессов, таких как фотолитография и реактивное ионное травление (RIE).

Матрицы микролинз содержат несколько линз, сформированных в виде одномерного или двумерного массива на поддерживающей подложке. Если отдельные линзы имеют круглые апертуры и не могут перекрываться, их можно разместить в виде шестиугольной решетки для получения максимального покрытия подложки. Однако между линзами по-прежнему будут оставаться зазоры, которые можно уменьшить, только сделав микролинзы с некруглыми апертурами. В случае массивов оптических датчиков системы крошечных линз служат для фокусировки и концентрации света на поверхности фотодиода, вместо того, чтобы позволить ему падать на нефоточувствительные области пиксельного устройства. Коэффициент заполнения - это отношение активной преломляющей области, то есть той области, которая направляет свет на фотодатчик, к общей смежной площади, занимаемой решеткой микролинз.

Изготовление [ править ]

В 17 веке Роберт Гук и Антони ван Левенгук разработали методы изготовления небольших стеклянных линз для использования в своих микроскопах . Гук расплавил небольшие волокна венецианского стекла и позволил поверхностному натяжению в расплавленном стекле сформировать гладкие сферические поверхности, необходимые для линз, затем установил и отшлифовал линзы, используя обычные методы. [1] Принцип был повторен при фотолитографии таких материалов, как фоторезист или УФ- отверждаемая эпоксидная смола, и расплавлении полимера с образованием массивов из нескольких линз. [2] [3]Совсем недавно решетки микролинз были изготовлены с использованием конвективной сборки коллоидных частиц из суспензии. [4]

Достижения в области технологий позволили разрабатывать и изготавливать микролинзы с жесткими допусками различными методами. В большинстве случаев требуется несколько копий, и они могут быть сформированы путем формования или тиснения из матрицы мастер-линз. Основная матрица линз также может быть воспроизведена путем создания электроформы с использованием матрицы мастер-линз в качестве оправки . Возможность изготовления массивов, содержащих тысячи или миллионы линз с точным расположением линз, привела к увеличению числа применений. [5]

Оптическая эффективность дифрагирующих линз зависит от формы структуры канавок, и, если идеальная форма может быть аппроксимирована серией этапов или многоуровневых структур, структуры могут быть изготовлены с использованием технологий, разработанных для промышленности интегральных схем , например, на уровне пластин. оптика . Эта область [ необходимо пояснение ] известна как бинарная оптика . [6]

Микролинзы в новейших микросхемах обработки изображений становятся все меньше и меньше. В беззеркальной системной камере Samsung NX1 установлено 28,2 миллиона микролинз на свой CMOS-чип обработки изображений, по одной на фото-сайт, каждая со стороной всего 3,63 микрометра. Для смартфонов этот процесс еще больше миниатюризирован: Samsung Galaxy S6 оснащен CMOS-сенсором с размером пикселя всего 1,12 микрометра каждый. Эти пиксели покрыты микролинзами такого же маленького шага.

Микролинзы также могут быть изготовлены из жидкостей. [7] Недавно стеклоподобные упругие микролинзы свободной формы были реализованы с помощью технологии сверхбыстрой лазерной 3D-нанолитографии. Постоянная интенсивность ~ 2 ГВт / см 2 для фемтосекундного импульсного излучения показывает его потенциал в приложениях с высокой мощностью и / или в жестких условиях окружающей среды. [8]

Био-микролинзы были разработаны для получения изображений биологических образцов без повреждения. [9] [10] Их можно сделать из одной ячейки, прикрепленной к оптоволоконному датчику.

Оптика межфланцевого уровня [ править ]

Оптика на уровне пластины (WLO) позволяет проектировать и производить миниатюрную оптику на уровне пластины с использованием передовых полупроводниковых технологий. Конечным продуктом является рентабельная миниатюрная оптика, позволяющая уменьшить форм-фактор модулей камер для мобильных устройств . [11]

Технология масштабируется от одноэлементной линзы CIF / VGA до многоэлементной мегапиксельной линзы, в которой пластины линз точно выровнены, скреплены вместе и нарезаны кубиками для образования стопок многоэлементных линз. По состоянию на 2009 год эта технология использовалась примерно на 10% рынка объективов для камер мобильных телефонов. [12]

Методология укладки полупроводников теперь может быть использована для изготовления оптических элементов на уровне пластины в корпусе масштаба кристалла. В результате получился модуль камеры на уровне пластины размером 0,575 мм x 0,575 мм. Модуль может быть встроен в катетер или эндоскоп диаметром всего 1,0 мм. [13]

Приложения [ править ]

Одиночные микролинзы используются для передачи света на оптические волокна, в то время как решетки микролинз часто используются для повышения эффективности сбора света матрицами ПЗС . Они собирают и фокусируют свет, который иначе упал бы на нечувствительные области ПЗС-матрицы. Массивы микролинз также используются в некоторых цифровых проекторах для фокусировки света на активные области ЖК-дисплея, используемые для создания проецируемого изображения. Текущие исследования также полагаются на микролинзы различных типов, которые действуют как концентраторы для высокоэффективных фотоэлектрических элементов для производства электроэнергии. [14]

Были разработаны комбинации матриц микролинз, которые обладают новыми свойствами формирования изображения, такими как способность формировать изображение при единичном увеличении, а не инвертировать, как в случае с обычными линзами. Массивы микролинз были разработаны для формирования компактных устройств формирования изображений для таких приложений, как копировальные аппараты и камеры мобильных телефонов .

В оптических микроскопах можно использовать две матрицы микролинз для обеспечения равномерного освещения. [15] Поместив две решетки микролинз на путь освещения микроскопа, можно достичь коэффициента вариации однородности освещения от 1% до 2%.

Другое приложение - создание трехмерных изображений и дисплеев . В 1902 году Фредерик Э. Айвз предложил использовать массив попеременно передающих и непрозрачных полос, чтобы определять направления просмотра для пары чересстрочных изображений и, следовательно, позволять наблюдателю видеть трехмерное стереоскопическое изображение . [16] Полоски позже были заменены Гессом массивом цилиндрических линз, известным как линзовидный экран , чтобы более эффективно использовать освещение. [17]

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 о интегральной фотографии . [18] [19] Коллоидные микролинзы также позволили обнаруживать отдельные молекулы при использовании в сочетании с линзами объектива с большим рабочим расстоянием и низкой светосилой. [20]

Массивы микролинз также используются Lytro для фотографирования в светлом поле ( пленоптическая камера ), что устраняет необходимость в начальной фокусировке перед съемкой изображений. Вместо этого фокус достигается в программном обеспечении во время постобработки. [21]

Характеристика [ править ]

Чтобы охарактеризовать микролинзы, необходимо измерить такие параметры, как фокусное расстояние и качество передаваемого волнового фронта . [22] Для этого были разработаны специальные методы и новые определения.

Например, поскольку нецелесообразно определять основные плоскости таких маленьких линз, измерения часто проводят относительно поверхности линзы или подложки. Когда линза используется для ввода света в оптическое волокно, сфокусированный волновой фронт может демонстрировать сферическую аберрацию, и свет из разных областей апертуры микролинзы может фокусироваться в разные точки на оптической оси . Полезно знать расстояние, на котором максимальное количество света сосредоточено 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 определять свойства микролинз и описывать соответствующие методы измерения. [23] [24] [25] [26]

Микрооптика в природе [ править ]

Примеры микрооптики можно найти в природе, начиная от простых структур для сбора света для фотосинтеза в листьях и заканчивая сложными глазами у насекомых . По мере дальнейшего развития методов формирования микролинз и детекторных матриц способность имитировать оптические конструкции, встречающиеся в природе, приведет к созданию новых компактных оптических систем. [27] [28]

См. Также [ править ]

  • Линзовидная линза
  • Интегральная визуализация
  • Пленоптическая камера

Ссылки [ править ]

  1. ^ Гук R, Предисловие к Micrographia . Лондонское королевское общество. (1665).
  2. ^ Попович, CD; Sprague, RA; Невилл Коннелл, Джорджия (1988). «Технологии монолитного изготовления массивов микролинз». Прил. Опт . 27 : 1281–1284. DOI : 10,1364 / ao.27.001281 .
  3. ^ Daly D, Стивенс RF, Hutley MC, Davies N, "Производство микролинз путем плавления фоторезиста". Труды семинара "Микролинзовые массивы" , май 1991 г. Серия коротких заседаний IOP № 30, 23–34.
  4. ^ Кумноркаев, П; Ee, Y; Тансу, н. Гилкрист, Дж. Ф. (2008). "Исследование осаждения монослоев микросфер для изготовления массивов микролинз". Ленгмюра . 24 : 12150–12157. DOI : 10.1021 / la801100g . PMID 18533633 . 
  5. ^ Боррелли, Н. Ф. Микрооптическая технология: изготовление и применение линзовых матриц и устройств . Марсель Деккер, Нью-Йорк (1999).
  6. ^ Фельдкамп WB, McHugh T J. "Бинарные оптики", Scientific American , Vol. 266 № 5, стр. 50–55, (май 1992 г.).
  7. ^ С. Грилли; Л. Миччо; В. Веспини; А. Финицио; С. Де Никола; П. Ферраро (2008). «Жидкая матрица микролинз, активированная селективным электросмачиванием на подложках из ниобата лития» . Оптика Экспресс . 16 (11): 8084–8093. Bibcode : 2008OExpr..16.8084G . DOI : 10,1364 / OE.16.008084 . PMID 18545521 . 
  8. ^ Йонушаускас, Линас; Гайлявичюс, Дариус; Миколюнайте, Лина; Сакалаускас, Данас; Шакирзановас, Симас; Юодказис, Саулиус; Малинаускас, Мангирдас (02.01.2017). «Оптически прозрачная и упругая µ-оптика произвольной формы, напечатанная на 3D-принтере с помощью сверхбыстрой лазерной литографии» . Материалы . 10 (1): 12. Bibcode : 2017 Партнер ... 10 ... 12J . DOI : 10,3390 / ma10010012 . PMC 5344581 . PMID 28772389 .  
  9. ^ Ли, Ючао; Лю, Сяошуай; Ян, Сяньгуан; Лэй, Хунсян; Чжан, Яо; Ли, Баоцзюнь (28.11.2017). «Повышение конверсии флуоресценции с помощью естественной биомикролинзы». САУ Нано . 11 (11): 10672–10680. DOI : 10.1021 / acsnano.7b04420 . ISSN 1936-0851 . PMID 28873297 .  
  10. ^ Ли, Ючао; Лю, Сяошуай; Ли, Баоцзюнь (декабрь 2019 г.). «Одноклеточный биомагнетатель для оптических наноскопов и нанопинцетов» . Свет: наука и приложения . 8 (1): 61. Полномочный код : 2019LSA ..... 8 ... 61L . DOI : 10.1038 / s41377-019-0168-4 . ISSN 2047-7538 . PMC 6804537 . PMID 31645911 .   
  11. ^ "Вафля-Level Camera Technologies термоусадочную камеру телефоны", Photonics.com , август 2007 .
  12. ^ http://www.eetimes.com/electronics-news/4085045/Will-Tessera-s-smart-module-gamble-pay-off-?pageNumber=3
  13. ^ «Появляется новый миниатюрный модуль камеры для одноразовых медицинских эндоскопов» . mddionline.com . 2019-10-22 . Проверено 25 июня 2020 .
  14. ^ JH Карп; EJ Tremblay; Дж. Э. Форд (2010). «Планарный микрооптический солнечный концентратор» . Оптика Экспресс . 18 (2): 1122–1133. Bibcode : 2010OExpr..18.1122K . DOI : 10,1364 / OE.18.001122 . PMID 20173935 . 
  15. ^ FAW Coumans; Э. ван дер Поль; LWMM Terstappen (2012). «Плоский профиль освещения в эпифлуоресцентном микроскопе с помощью двух массивов микролинз» . Цитометрии Часть A . 81 (4): 324–331. DOI : 10.1002 / cyto.a.22029 . PMID 22392641 . 
  16. ^ Ives FE. Параллакс стереограмма и процесс ее изготовления . Патент США 725,567 (1903).
  17. ^ Hess W. Улучшение производства стереоскопических изображений . Патент Великобритании 13034 (1912).
  18. ^ Липпманн, G (1908). "Epreuves reversibles. Фотография интегральная". Comptes Rendus . 146 : 446–451.
  19. ^ Стивенс РФ, Дэвис Н. "Массивы линз и фотография". Журнал фотографической науки . Том 39, стр. 199–208, (1991).
  20. ^ Шварц JJ; Ставракис С; Quake SR (2010). «Коллоидные линзы позволяют получать изображения одиночных молекул при высоких температурах и улучшают фотостабильность флуорофора» . Природа Нанотехнологии . 5 (2): 127–132. Bibcode : 2010NatNa ... 5..127S . DOI : 10.1038 / nnano.2009.452 . PMC 4141882 . PMID 20023643 .  
  21. ^ «Архивная копия» (PDF) . Архивировано из оригинального (PDF) 16 сентября 2012 года . Проверено 16 сентября 2012 . CS1 maint: заархивированная копия как заголовок ( ссылка )
  22. ^ Ига К., Кокбурн Ю., Оикава М. Основы микрооптики . Academic Press, Лондон (1984).
  23. ^ ISO 14880-1: 2001. Оптика и фотоника. Матрицы микролинз. Часть 1. Словарь.
  24. ^ ISO 14880-2: 2006. Оптика и фотоника. Матрицы микролинз. Часть 2. Методы испытаний на аберрации волнового фронта.
  25. ^ ISO 14880-3: 2006. Оптика и фотоника. Матрицы микролинз. Часть 3. Методы испытаний оптических свойств, отличных от аберраций волнового фронта.
  26. ^ ISO 14880-4: 2006. Оптика и фотоника - Матрицы микролинз - Часть 4: Методы испытаний геометрических свойств .
  27. ^ Лэнд М. "Оптика глаз животных". Proc Royal Institution , том 57, стр. 167–189, (1985)
  28. ^ Duparré J. и др., "Составной глаз микрооптического телескопа". Оптика Экспресс , Vol. 13, выпуск 3, стр. 889–903 (2005).