Микролинза
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 возникают нежелательные эффекты из-за оптической дифракции на мелких деталях. Типичная микролинза может представлять собой один элемент с одной плоской поверхностью и одной сферической выпуклой поверхностью для преломления света. Поскольку микролинзы очень малы, подложка, на которую они опираются, обычно толще самой линзы, и это необходимо учитывать при проектировании. Более сложные линзы могут использовать асферические поверхности, а другие могут использовать несколько слоев оптического материала для достижения проектных характеристик.
Микролинзы другого типа имеют две плоские и параллельные поверхности, а фокусирующее действие достигается за счет изменения показателя преломления поперек линзы. Они известны как линзы с градиентным индексом (GRIN) . Некоторые микролинзы достигают фокусирующего действия как за счет изменения показателя преломления, так и за счет формы поверхности.
Другой класс микролинз, иногда называемый микролинзами Френеля , фокусирует свет путем преломления в наборе концентрических изогнутых поверхностей. Такие линзы можно сделать очень тонкими и легкими. Бинарно-оптические микролинзы фокусируют свет за счет дифракции . Они имеют 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 реактивно-ионное травление (RIE).
Массивы микролинз содержат множество линз, сформированных в одномерную или двумерную матрицу на несущей подложке. Если отдельные линзы имеют круглые отверстия и не могут перекрываться, их можно разместить шестиугольной решеткой для получения максимального покрытия подложки. Однако между линзами по-прежнему будут оставаться зазоры, которые можно уменьшить только за счет изготовления микролинз с некруглыми апертурами. Благодаря матрицам оптических датчиков крошечные системы линз служат для фокусировки и концентрации света на поверхности фотодиода, вместо того, чтобы позволять ему падать на нефоточувствительные области пиксельного устройства. Коэффициент заполнения представляет собой отношение активной преломляющей площади, т.е. той площади, которая направляет свет на фотодатчик, к общей прилегающей площади, занимаемой матрицей микролинз.
Изготовление
[ редактировать ]В 17 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 расплавленного стекла сформировать гладкие сферические поверхности, необходимые для линз, а затем установил и отшлифовал линзы, используя традиционные методы. [1] Этот принцип был повторен путем фотолитографии на таких материалах, как фоторезист или УФ- отверждаемая эпоксидная смола, излучением , и плавления полимера с образованием 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 разрабатывать и изготавливать микролинзы с жесткими допусками различными методами. В большинстве случаев требуется несколько копий, и они могут быть изготовлены путем формования или тиснения из матрицы мастер-линз. Массив мастер-линз также может быть воспроизведен посредством создания электроформы с использованием массива мастер-линз в качестве оправки . Возможность изготавливать массивы, содержащие тысячи или миллионы точно расположенных линз, привела к увеличению числа применений. [5]
Оптическая эффективность дифрагирующих линз зависит от формы структуры канавок, и, если идеальную форму можно аппроксимировать с помощью ряда шагов или многоуровневых структур, структуры могут быть изготовлены с использованием технологий, разработанных для производства интегральных схем , таких как технологии на уровне пластин . оптика . Исследование таких дифрагирующих линз известно как бинарная оптика . [6]
Микролинзы в последних чипах обработки изображений становятся все меньших и меньших размеров. Беззеркальная системная камера Samsung NX1 содержит 28,2 миллиона микролинз на своем CMOS-чипе обработки изображений, по одной на фото-сайт, каждая с длиной стороны всего 3,63 микрометра. В смартфонах этот процесс миниатюризирован еще больше: Samsung Galaxy S6 оснащен CMOS-сенсором с пикселями размером всего 1,12 микрометра каждый. Эти пиксели покрыты микролинзами столь же малого шага.
Микролинзы также могут быть изготовлены из жидкостей. [7] Недавно с помощью сверхбыстрой лазерной 3D-нанолитографии были созданы стеклоподобные упругие микролинзы произвольной формы. Устойчивый ~2 ГВт/см 2 Интенсивность фемтосекундного импульсного облучения показывает его потенциал в приложениях с высокой мощностью и/или в суровых условиях окружающей среды. [8]
Биомикролинзы были разработаны для получения изображений биологических образцов, не причиняя им вреда. [9] [10] Их можно сделать из одной ячейки, прикрепленной к оптоволоконному зонду.
Оптика уровня пластины
[ редактировать ]Оптика уровня пластины (WLO) позволяет разрабатывать и производить миниатюрную оптику на уровне пластины с использованием передовых полупроводниковых технологий. Конечным продуктом является экономичная миниатюрная оптика, позволяющая уменьшить форм-фактор модулей камер для мобильных устройств . [11]
Технология масштабируется от одноэлементной линзы CIF/VGA до структуры многоэлементной мегапиксельной линзы, в которой пластины линз точно выравниваются, соединяются вместе и нарезаются кубиками для формирования стопок многоэлементных линз. По состоянию на 2009 год эта технология использовалась примерно на 10 процентах рынка объективов для камер мобильных телефонов. [12]
Методика укладки полупроводников теперь может использоваться для изготовления оптических элементов уровня пластины в корпусе масштаба чипа. В результате получился модуль камеры на уровне пластины размером 0,575 x 0,575 мм. Модуль может быть интегрирован в катетер или эндоскоп диаметром всего 1,0 мм. [13]
Приложения
[ редактировать ]Одиночные микролинзы используются для передачи света по оптическим волокнам ; Массивы микролинз часто используются для повышения эффективности сбора света ПЗС-матрицами и КМОП-сенсорами , для сбора и фокусировки света, который в противном случае попал бы на нечувствительные области сенсора. 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 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 инвертировано, как в случае с обычными линзами. Массивы микролинз были разработаны для создания компактных устройств формирования изображений для таких приложений, как копировальные аппараты и мобильных телефонов камеры .
Еще одно применение — создание 3D-изображений и дисплеев . В 1902 году Фредерик Э. Айвс предложил использовать массив попеременно пропускающих и непрозрачных полос, чтобы определить направления просмотра для пары чересстрочных изображений и, следовательно, позволить наблюдателю видеть трехмерное стереоскопическое изображение . [15] Позже Хесс заменил полоски набором цилиндрических линз, известных как двояковыпуклый экран , чтобы более эффективно использовать освещение. [16]
У Hitachi есть 3D-дисплеи без 3D-очков, в которых используются массивы микролинз для создания стереоскопического эффекта. [ нужна ссылка ]
Совсем недавно доступность массивов сферических микролинз позволила Габриэля Липпмана идею о интегральной фотографии . изучить и продемонстрировать [17] [18] Коллоидные микролинзы также позволяют обнаруживать отдельные молекулы при использовании в сочетании с объективом с большим рабочим расстоянием и низкой эффективностью сбора света. [19]
Массивы микролинз также используются Lytro для получения фотографии светового поля ( пленоптическая камера ), которая устраняет необходимость первоначальной фокусировки перед съемкой изображений. Вместо этого фокус достигается программным обеспечением во время постобработки. [20]
Характеристика
[ редактировать ]Чтобы охарактеризовать микролинзы, необходимо измерить такие параметры, как фокусное расстояние и качество передаваемого волнового фронта . [21] Для этого разработаны специальные методики и новые определения.
таких маленьких линз практически невозможно Например, поскольку определить основные плоскости , измерения часто проводятся относительно поверхности линзы или подложки. Если для передачи света в оптическое волокно используется линза, сфокусированный волновой фронт может проявлять сферическую аберрацию , и 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 обеспечить возможность сравнения измерений микролинз и замены деталей, был разработан ряд международных стандартов, которые помогают пользователям и производителям определять свойства микролинз и описывать соответствующие методы измерения. [22] [23] [24] [25]
Микрооптика в природе
[ редактировать ]Примеры микрооптики можно найти в природе: от простых структур, собирающих свет для фотосинтеза в листьях, до сложных глаз 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. [26] [27]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Гук Р., Предисловие к «Микрографии» . Королевское общество Лондона. (1665).
- ^ Попович, CD; Спраг, РА; Невилл Коннелл, Джорджия (1988). «Методика монолитного изготовления матриц микролинз». Прил. Опц . 27 (7): 1281–1284. Бибкод : 1988ApOpt..27.1281P . дои : 10.1364/ao.27.001281 . ПМИД 20531555 .
- ^ Дейли Д., Стивенс Р.Ф., Хатли MC, Дэвис Н., «Производство микролинз путем плавления фоторезиста». Материалы семинара «Микролинзовые матрицы» , май 1991 г. Серия коротких встреч IOP № 30, 23–34.
- ^ Кумноркаев, П; Э-э, Й; Тансу, Н; Гилкрист, Дж. Ф. (2008). «Исследование осаждения монослоев микросфер для изготовления матриц микролинз». Ленгмюр . 24 (21): 12150–12157. дои : 10.1021/la801100g . ПМИД 18533633 .
- ^ Боррелли, Н. Ф. Микрооптическая технология: изготовление и применение линзовых матриц и устройств . Марсель Деккер, Нью-Йорк (1999).
- ^ Вельдкамп В.Б., МакХью Т.Дж. «Бинарная оптика», Scientific American , Vol. 266 № 5, стр. 50–55 (май 1992 г.).
- ^ С. Грилли; Л. Миччио; В. Веспини; А. Финицио; С. Де Никола; П. Ферраро (2008). «Жидкая матрица микролинз, активированная путем селективного электросмачивания подложек из ниобата лития» . Оптика Экспресс . 16 (11): 8084–8093. Бибкод : 2008OExpr..16.8084G . дои : 10.1364/OE.16.008084 . ПМИД 18545521 .
- ^ Йонушаускас, Линас; Гайлявичюс, Дарий; Миколюнайте, Лина; Сакалаускас, Дэн; Шакирзанов, Симс; Юодкази, Саулюс; Малинаускас, Мангирдас (2 января 2017 г.). «Оптически прозрачная и эластичная мю-оптика произвольной формы, напечатанная на 3D-принтере с помощью сверхбыстрой лазерной литографии» . Материалы . 10 (1): 12. Бибкод : 2017Mate...10...12J . дои : 10.3390/ma10010012 . ПМЦ 5344581 . ПМИД 28772389 .
- ^ флуоресценции с помощью натуральной биомикролинзы». ноября 2017 г.) « Ли, Ючао; Ян, Сянгуан ; Усиление апконверсионной Чжан, Ли, Баоцзюнь ( 28 : 10672–10680. doi : 10.1021/ acsnano.7b04420 ISSN 1936-0851 . PMID 28873297 .
- ^ Ли, Ючао; Лю, Сяошуай; Ли, Баоцзюнь (декабрь 2019 г.). «Одноклеточная биоувеличитель для оптических наноскопов и нанопинцетов» . Свет: наука и приложения . 8 (1): 61. Бибкод : 2019LSA.....8...61L . дои : 10.1038/s41377-019-0168-4 . ISSN 2047-7538 . ПМК 6804537 . ПМИД 31645911 .
- ^ «Технологии камер на уровне пластин уменьшают размеры трубок телефонов с камерой», Photonics.com , август 2007 г.
- ^ ЛаПедус, Марк (12 октября 2009 г.). «Окупится ли игра с «умным модулем» Тессеры?» . ЭЭ Таймс . Архивировано из оригинала 01 января 2023 г.
- ^ «Появился новый миниатюрный модуль камеры для одноразовых медицинских эндоскопов» . mddionline.com . 22 октября 2019 г. Проверено 25 июня 2020 г.
- ^ Дж. Х. Карп; Э. Дж. Трамбле; Дж. Э. Форд (2010). «Планарный микрооптический солнечный концентратор» . Оптика Экспресс . 18 (2): 1122–1133. Бибкод : 2010OExpr..18.1122K . дои : 10.1364/OE.18.001122 . ПМИД 20173935 .
- ^ Айвз Ф.Е. Стереограмма параллакса и процесс ее создания . Патент США 725567 (1903 г.).
- ^ Хесс В. Улучшение производства стереоскопических изображений . Патент Великобритании 13034 (1912 г.).
- ^ Липпманн, Г. (1908). «Обратимые доказательства. Интегральные фотографии». Отчеты . 146 : 446–451.
- ^ Стивенс Р.Ф., Дэвис Н. «Линзовые массивы и фотография». Журнал фотографической науки . Том 39, стр. 199–208, (1991).
- ^ Шварц Дж. Дж.; Ставракис С; Землетрясение СР (2010). «Коллоидные линзы позволяют получать изображения одиночных молекул при высоких температурах и улучшают фотостабильность флуорофоров» . Природные нанотехнологии . 5 (2): 127–132. Бибкод : 2010НатНа...5..127С . дои : 10.1038/nnano.2009.452 . ПМК 4141882 . ПМИД 20023643 .
- ^ «Архивная копия» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 16 сентября 2012 г. Проверено 16 сентября 2012 г.
{{cite web}}: CS1 maint: архивная копия в заголовке ( ссылка ) - ^ Ига К., Кокберн Ю., Оикава М. Основы микрооптики . Академическая пресса, Лондон (1984).
- ^ ИСО 14880-1:2001. Оптика и фотоника - Массивы микролинз - Часть 1: Словарь
- ^ ИСО 14880-2:2006. Оптика и фотоника. Массивы микролинз. Часть 2. Методы испытаний на аберрации волнового фронта.
- ^ ИСО 14880-3:2006. Оптика и фотоника. Массивы микролинз. Часть 3. Методы испытаний оптических свойств, кроме аберраций волнового фронта.
- ^ ИСО 14880-4:2006. Оптика и фотоника. Микролинзовые матрицы. Часть 4. Методы испытаний геометрических свойств .
- ^ Лэнд М. «Оптика глаз животных». Proc Royal Institution , том 57, стр. 167–189 (1985).
- ^ Дюпарре Дж. и др., «Сложный глаз микрооптического телескопа». Оптика Экспресс , Том. 13, выпуск 3, стр. 889–903 (2005).
| Базы данных органов управления : Национальные |
|---|
