마이크로렌즈

Microlens
분광기에 사용되는 마이크로렌즈 어레이

마이크로렌즈는 일반적으로 직경이 밀리미터(mm) 미만이고 종종 10마이크로미터(µm)만큼 작은 작은 작은 렌즈입니다.렌즈의 크기가 작다는 것은 단순한 디자인이 좋은 광학적 품질을 제공할 수 있다는 것을 의미하지만 작은 특징의 광학적 회절 때문에 때때로 원치 않는 효과가 발생한다는 것을 의미합니다.전형적인 마이크로렌즈는 빛을 굴절시키기 위해 평면면이 1개이고 볼록면이 1개인 단일원소일 수 있다.마이크로 렌즈는 매우 작기 때문에, 그것을 지지하는 기판은 보통 렌즈보다 두껍기 때문에, 설계에서는 이 점을 고려해야 합니다.보다 정교한 렌즈는 비구면 표면을 사용할 수 있으며 다른 렌즈는 설계 성능을 달성하기 위해 여러 층의 광학 재료를 사용할 수 있습니다.

다른 종류의 마이크로렌즈는 2개의 평탄하고 평행한 표면을 가지며 렌즈 전체의 굴절률의 변화에 의해 초점조절작용을 얻을 수 있다.이것들은 구배지수(GRIN) 렌즈라고 불립니다.일부 마이크로렌즈는 굴절률의 변화와 표면 형상에 의해 초점 작용을 한다.

마이크로렌즈의 또 다른 종류인 마이크로렌즈는, 때때로 마이크로프레넬 렌즈라고 불리며, 일련의 동심원 곡면에서의 굴절에 의해 빛을 집중시킵니다.이런 렌즈는 매우 얇고 가볍게 만들 수 있다.이원 광학 마이크로 렌즈는 회절에 의해 빛의 초점을 맞춘다.이상적인 모양에 가까운 계단 모서리 또는 다단계 홈이 있습니다.포토 리소그래피, 리액티브 이온 식각(RIE) 등 표준 반도체 공정을 사용해 제작과 복제에 유리하다.

마이크로렌즈 어레이는 지지기판상에 1차원 또는 2차원 어레이로 형성된 복수의 렌즈를 포함한다.개개의 렌즈가 원형 개구부를 가지며 겹치지 않는 경우에는 기판의 커버리지를 최대화하기 위해 육각형 배열로 배치해도 된다.그러나, 비원형의 개구부를 가지는 마이크로 렌즈를 만드는 것만으로 줄일 수 있는 렌즈 사이에는 여전히 틈이 있습니다.광학 센서 어레이에서는, 작은 렌즈 시스템은, 포토 다이오드 표면에 빛을 집중시키는 역할을 합니다.픽셀 디바이스의 비감광 영역에 빛을 비추는 것이 아니라, 광다이오드 표면에 빛을 집중시킵니다.충전률은 마이크로렌즈 어레이가 점유하는 총 인접 면적에 대한 활성 굴절 영역, 즉 광센서로 빛을 전달하는 영역의 비율입니다.

제조

17세기에 로버트 훅과 안토니 반 리우웬훅은 둘 다 현미경으로 사용할 수 있는 작은 유리 렌즈를 만드는 기술을 개발했다.후크는 베네시안 유리의 작은 필라멘트를 녹여 녹인 후 녹인 유리의 표면 장력을 렌즈에 필요한 매끄러운 구형 표면을 형성하도록 한 후, 전통적인 [1]방법으로 렌즈를 장착하고 연마했습니다.포토 레지스트나 UV 경화성 에폭시 등의 재료에 포토 리소그래피를 실시해, 폴리머를 용융해 [2][3]복수의 렌즈 어레이를 형성하는 것으로, 이 원리를 반복하고 있습니다.최근에는 현탁액에서 콜로이드 [4]입자의 대류 조립체를 사용하여 마이크로렌즈 어레이가 제작되었습니다.

기술의 발전으로 마이크로 렌즈는 다양한 방법으로 공차를 좁힐 수 있도록 설계 및 제작될 수 있게 되었습니다.대부분의 경우 여러 개의 복사가 필요하며, 마스터 렌즈 어레이에서 몰딩 또는 엠보싱하여 복사할 수 있습니다.마스터렌즈 어레이는 마스터렌즈 어레이를 맨드렐로 사용하는 일렉트로폼 생성을 통해 복제할 수도 있다.수천에서 수백만 개의 정확한 간격을 가진 렌즈를 포함하는 어레이를 제작할 수 있게 되면서 [5]응용 프로그램의 수가 증가하게 되었습니다.

회절 렌즈의 광학 효율은 홈 구조의 형태에 따라 달라지며, 일련의 단계 또는 다단계로 이상적인 형상을 근사할 수 있는 경우 웨이퍼 레벨 광학 등 집적회로 산업을 위해 개발된 기술을 사용하여 구조를 제작할 수 있습니다.이러한 회절 렌즈의 연구는 바이너리 [6]광학으로 알려져 있다.

최근 이미징 칩의 마이크로 렌즈는 점점 더 작아지고 있다.삼성 NX1 미러리스 시스템 카메라는 CMOS 이미징 칩에 2,820만 마이크로렌즈를 장착하고 있으며, 각 카메라의 측면 길이는 3.63 마이크로미터에 불과하다.스마트폰의 경우 이 프로세스는 더욱 소형화됩니다.삼성 갤럭시S6는 픽셀이 각각 1.12마이크로미터에 불과한 CMOS 센서를 탑재했다.이 픽셀들은 똑같이 작은 피치의 마이크로 렌즈로 덮여 있습니다.

마이크로렌즈는 [7]액체로도 만들 수 있다.최근에는 초고속 레이저 3D 나노리소그래피 기술을 통해 유리처럼 탄력적인 자유형 마이크로렌즈가 구현됐다.펨토초 펄스 조사에 대해 최대 2GW/cm의2 지속적인 강도는 고출력 [8]및/또는 가혹한 환경에서의 가능성을 보여줍니다.

생물학적 시료를 손상시키지 않고 촬영할 [9][10]수 있는 바이오 마이크로렌즈가 개발되었습니다.이것들은 파이버 프로브에 접속되어 있는1개의 셀로부터 작성할 수 있습니다.

웨이퍼 레벨 광학

웨이퍼 레벨 광학(WLO)은 첨단 반도체 기술을 사용하여 웨이퍼 레벨에서 소형화된 광학 장치를 설계 및 제조할 수 있습니다.최종 제품은 모바일 장치용 [11]카메라 모듈의 폼 팩터를 줄일 수 있는 비용 효율적인 소형 광학입니다.

이 기술은 단일 요소 CIF/VGA 렌즈에서 렌즈 웨이퍼가 정밀하게 정렬되고 서로 접합되고 다이싱되어 멀티 요소 렌즈 스택을 형성하는 멀티 요소 메가 픽셀 렌즈 구조까지 확장 가능합니다.2009년 현재 이 기술은 휴대폰 카메라 렌즈 시장의 [12]약 10%에 사용되고 있다.

이제 반도체 스태킹 방법을 사용하여 칩 스케일 패키지로 웨이퍼 레벨 광학 소자를 제작할 수 있습니다.그 결과 0.575mm x 0.575mm 크기의 웨이퍼 레벨 카메라 모듈이 생성됩니다.모듈은 직경이 1.0mm에 [13]불과한 카테터 또는 내시경에 통합될 수 있습니다.

적용들

단일 마이크로렌즈는 빛과 광섬유를 결합하기 위해 사용됩니다. 마이크로렌즈 어레이는 CCD 어레이와 CMOS 센서의 광 채집 효율을 높이기 위해 자주 사용되며, 그렇지 않았다면 센서의 비감응 영역에 떨어졌을 빛을 수집하고 초점을 맞춥니다.마이크로렌즈 어레이는 일부 디지털 프로젝터에서도 사용되며, 투사되는 이미지를 생성하기 위해 사용되는 LCD의 활성 영역에 빛을 집중시킵니다.현재의 연구는 또한 전력 [14]생산을 위한 고효율 태양광 발전의 집광기 역할을 하기 위해 다양한 유형의 마이크로 렌즈에 의존하고 있다.

마이크로렌즈 어레이의 조합은, 기존의 렌즈와 같이 반전하지 않고, 단위 배율로 화상을 형성할 수 있는 등, 새로운 이미징 특성을 가지는 것이 설계되고 있습니다.마이크로렌즈 어레이는 복사기나 휴대폰 카메라와 같은 애플리케이션을 위한 콤팩트 이미징 디바이스를 형성하기 위해 개발되었습니다.

또 다른 애플리케이션은 3D 영상 및 디스플레이입니다.1902년 프레데릭 E. Ives는 인터레이스된 영상 쌍에 대한 보기 방향을 정의하여 관찰자가 3D [15]입체 영상을 볼 수 있도록 하기 위해 교대로 전송 및 불투명한 스트립의 배열을 사용할 것을 제안했습니다.이 스트립은 나중에 조명을 [16]보다 효율적으로 사용하기 위해 렌티큘러 스크린으로 알려진 원통형 렌즈 배열로 Hess에 의해 교체되었습니다.

히타치는 입체감을 [citation needed]내기 위해 마이크로렌즈 어레이를 이용한 3D 디스플레이를 무안경 3D 디스플레이로 구현했다.

보다 최근에는 구형 마이크로렌즈 배열의 가용성으로 가브리엘 리프만의 통합사진 아이디어가 탐색되고 [17][18]입증될 수 있게 되었다.또한 콜로이드 마이크로렌즈는 긴 작업 거리와 낮은 광 채집 효율 대물 [19]렌즈와 함께 사용할 때 단일 분자 검출이 가능했습니다.

또한 Lytro는 마이크로렌즈 어레이를 사용하여 라이트 필드 촬영(플렌옵틱 카메라)을 실시합니다.이것에 의해, 화상을 촬영하기 전에 초기 포커스를 맞출 필요가 없어집니다.대신 후처리 [20]시 소프트웨어에 초점을 맞춥니다.

특성화

마이크로렌즈를 특성화하기 위해서는 초점거리 [21]및 투과파면의 품질과 같은 파라미터를 측정해야 합니다.이를 위해 특수 기술과 새로운 정의가 개발되었습니다.

예를 들어 이러한 작은 렌즈의 주요 평면을 찾는 것은 실용적이지 않기 때문에 렌즈 또는 기판 표면에 대한 측정이 이루어지는 경우가 많다.광섬유에 빛을 결합하기 위해 렌즈가 사용되는 경우 집속파전면은 구면수차를 나타낼 수 있으며 마이크로렌즈 개구부의 다른 영역으로부터의 빛은 광축상의 다른 점에 초점을 맞출 수 있습니다.파이버 개구부에 최대 빛의 양이 집중되는 거리를 알면 유용하며, 이러한 요인에 의해 초점 거리가 새롭게 정의되었습니다.마이크로 렌즈의 측정과 부품 교환을 가능하게 하기 위해 마이크로 렌즈의 특성을 정의하고 적절한 측정 방법을 [22][23][24][25]기술함으로써 사용자와 제조자를 지원하는 일련의 국제 표준이 개발되었습니다.

자연 속의 마이크로옵틱스

미세광학의 예는 잎사귀에서 광합성을 위해 빛을 모으는 단순한 구조에서부터 곤충의 겹눈까지 자연에서 찾아볼 수 있다.마이크로 렌즈와 검출기 어레이를 형성하는 방법이 더욱 개발됨에 따라 자연에서 발견된 광학 설계를 모방할 수 있는 능력은 새로운 콤팩트 광학 [26][27]시스템으로 이어질 것이다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

  1. ^ 후크 R, 마이크로그래피아 서문런던 왕립 협회 (1665년)
  2. ^ Popovic, CD; Sprague, RA; Neville Connell, GA (1988). "Techniques for monolithic fabrication of microlens arrays". Appl. Opt. 27 (7): 1281–1284. Bibcode:1988ApOpt..27.1281P. doi:10.1364/ao.27.001281. PMID 20531555.
  3. ^ Daly D, Stevens R F, Hutley M C, Davies N, "용융 포토 레지스트에 의한 마이크로 렌즈 제조"'마이크로렌즈 어레이' 세미나 진행, 1991년 5월.IOP 쇼트 미팅 시리즈 No. 30, 23 ~34
  4. ^ Kumnorkaew, P; Ee, Y; Tansu, N; Gilchrist, J F (2008). "Investigation of the Deposition of Microsphere Monolayers for Fabrication of Microlens Arrays". Langmuir. 24 (21): 12150–12157. doi:10.1021/la801100g. PMID 18533633.
  5. ^ Borrelli, N F. Microoptics 테크놀로지: 렌즈 어레이 및 디바이스의 제조 및 응용.Marcel Dekker, 뉴욕(1999년(1999년).
  6. ^ Veldkamp W B, McHugh T J. "이진 광학", Scientific American, Vol. 266 No. 5 pp 50-55, (1992년 5월).
  7. ^ S. Grilli; L. Miccio; V. Vespini; A. Finizio; S. De Nicola; P. Ferraro (2008). "Liquid micro-lens array activated by selective electrowetting on lithium niobate substrates". Optics Express. 16 (11): 8084–8093. Bibcode:2008OExpr..16.8084G. doi:10.1364/OE.16.008084. PMID 18545521.
  8. ^ Jonušauskas, Linas; Gailevičius, Darius; Mikoliūnaitė, Lina; Sakalauskas, Danas; Šakirzanovas, Simas; Juodkazis, Saulius; Malinauskas, Mangirdas (2017-01-02). "Optically Clear and Resilient Free-Form µ-Optics 3D-Printed via Ultrafast Laser Lithography". Materials. 10 (1): 12. Bibcode:2017Mate...10...12J. doi:10.3390/ma10010012. PMC 5344581. PMID 28772389.
  9. ^ Li, Yuchao; Liu, Xiaoshuai; Yang, Xianguang; Lei, Hongxiang; Zhang, Yao; Li, Baojun (2017-11-28). "Enhancing Upconversion Fluorescence with a Natural Bio-microlens". ACS Nano. 11 (11): 10672–10680. doi:10.1021/acsnano.7b04420. ISSN 1936-0851. PMID 28873297.
  10. ^ Li, Yuchao; Liu, Xiaoshuai; Li, Baojun (December 2019). "Single-cell biomagnifier for optical nanoscopes and nanotweezers". Light: Science & Applications. 8 (1): 61. Bibcode:2019LSA.....8...61L. doi:10.1038/s41377-019-0168-4. ISSN 2047-7538. PMC 6804537. PMID 31645911.
  11. ^ 「Wafer-Level Camera Technologies Shrinking Camera Phone Handsets」(웨이퍼 레벨의 카메라 테크놀로지, 카메라 폰 핸드셋 축소), Photonics.com, 2007년 8월.
  12. ^ http://www.eetimes.com/electronics-news/4085045/Will-Tessera-s-smart-module-gamble-pay-off-?pageNumber=3
  13. ^ "New Miniature Camera Module Emerges for Disposable Medical Endoscopes". mddionline.com. 2019-10-22. Retrieved 2020-06-25.
  14. ^ J. H. Karp; E. J. Tremblay; J. E. Ford (2010). "Planar micro-optic solar concentrator". Optics Express. 18 (2): 1122–1133. Bibcode:2010OExpr..18.1122K. doi:10.1364/OE.18.001122. PMID 20173935.
  15. ^ Ives FE.시차 입체도 및 시차 입체도를 만드는 과정.미국 특허 725,567(1903)
  16. ^ Hess W. 입체 사진 제작 개선영국 특허 13,034(1912).
  17. ^ Lippmann, G (1908). "Epreuves reversibles. Photographies integrales". Comptes Rendus. 146: 446–451.
  18. ^ 스티븐스 R F, 데이비스 N. "렌즈 어레이와 사진"사진 과학 저널.Vol 39 pp 199–208, (1991)
  19. ^ Schwartz JJ; Stavrakis S; Quake SR (2010). "Colloidal lenses allow high-temperature single-molecule imaging and improve fluorophore photostability". Nature Nanotechnology. 5 (2): 127–132. Bibcode:2010NatNa...5..127S. doi:10.1038/nnano.2009.452. PMC 4141882. PMID 20023643.
  20. ^ "Archived copy" (PDF). Archived from the original (PDF) on 2012-09-16. Retrieved 2012-09-16.{{cite web}}: CS1 maint: 제목으로 아카이브된 복사(링크)
  21. ^ 이가 K, 콕번 Y, 오이카와 M마이크로옵티컬의 기본.학술 출판사, 런던(1984년).
  22. ^ ISO 14880-1:2001.광학 및 광자학 - 마이크로렌즈 어레이 - Part 1: 어휘
  23. ^ ISO 14880-2:2006.광학 및 광전자 - 마이크로렌즈 어레이 - 제2부: 파면수차 시험방법
  24. ^ ISO 14880-3:2006.광학 및 광전자 - 마이크로렌즈 어레이 - 제3부: 파면수차 이외의 광학특성 시험방법
  25. ^ ISO 14880-4:2006.광학 및 포토닉스 - 마이크로렌즈 어레이 - Part 4: 기하학적 특성에 대한 테스트 방법.
  26. ^ 랜드 M. "동물 눈의 광학"왕립법원, 제57권, 167-189페이지, (1985년)
  27. ^ Duparé J. et al., "마이크로 옵티컬 망원경 복안"옵티컬 익스프레스, Vol. 13, 제3호, 페이지 889–903 (2005)