Micro-Lens Array (MLA): uso eficiente de la luz con lentes submicrónicos Nota de aplicación

Marzo 17, 2023

Las microlentes son lentes submicrométricas (a menudo de hasta 10 micrones), generalmente fabricadas con sílice fundida debido a sus excelentes características de transmisión de rayos UV a IR. Los MLA son matrices unidimensionales o bidimensionales de estas microlentes (lenslets), modeladas en un orden de empaquetado cuadrado en una oblea. Los MLA se fabrican habitualmente mediante procesos de semiconductores estándar, como fotolitografía y grabado de iones reactivos (RIE).

Teoría

El empaquetamiento de las lentes en una matriz determina el factor de llenado. Las lentes circulares en una oblea cuadrada cubrirán π/4 = 78.5 % de la oblea. Es deseable un factor de relleno más alto, y se puede lograr mediante el empaque hexagonal de lenslets como se ve en la Figura 1, pero estas matrices generalmente no son aplicables. El factor de relleno determina el rendimiento de la luz del material, además de la transmisividad del MLA.

Matriz de microlentes 1 — Figura 1. Patrón de arreglo cuadrado/hexagonal

Los MLA se implementan en dispositivos que requieren un aumento en el factor de relleno óptico debido al blindaje metálico y áreas no fotosensibles, sin el uso de componentes ópticos adicionales. Por ejemplo, los MLA se utilizan en dispositivos de carga acoplada (CCD) para concentrar la luz en su fotodiodo en lugar de puertas de exposición metálicas y escudo, donde se pierde la información de la imagen.

Matriz de microlentes 2 — Figura 2. Parámetros de un lenslet convencional

Matriz de microlentes 3 — Figura 3. Diagrama de rayos de lente de superficie simple/dual

Parámetros importantes

Diámetro de la lente
Distancia focal efectiva (EFL)
Radio de curvatura (ROC)

Tamaño de matriz
Índice de refracción, n
Caída de la lente

Aplicaciones

Los MLA pueden homogeneizar, colimar y obtener imágenes de la luz de varios emisores, desde láseres excimer hasta LED de alta potencia. Son útiles para aplicaciones que requieren alta frecuencia y uniformidad no gaussiana.

Según el caso de uso, se utilizan tipos específicos de microlentes, como en los ejemplos (a) y (b).

a) Lentes de índice de gradiente (GRIN)

Las lentes GRIN están hechas de dos superficies planas y paralelas, donde solo se utilizan superficies ópticas planas en lugar de superficies curvas convencionales. La lente presenta un índice de refracción variado a través de la lente, lo que hace que los rayos de luz se doblen dentro de la lente (Figura 4). Los lentes GRIN también se encuentran comúnmente en fotocopiadoras y escáneres.

Matriz de microlentes 4 — Figura 4. Lente GRIN que hace que los rayos de luz se doblen dentro

b) Lentes Micro-Fresnel (MFL)

Las lentes Fresnel se componen de una serie de ranuras concéntricas grabadas en plástico o vidrio. Actuando como superficies de refracción individuales, los contornos desvían los rayos de luz paralelos a una distancia focal común (Figura 5) o coliman el haz, según la dirección. La dirección de propagación de la luz no cambia dentro de un medio, sino que solo se desvía en la superficie. Esta lente proporciona un mejor rendimiento de enfoque en comparación con las lentes convencionales. MFL se utiliza comúnmente en pantallas de cámaras TLR/SLR.

Matriz de microlentes 5 — Figura 5. Lente MFL que hace que los rayos se enfoquen

Los sistemas MLA se utilizan, entre otros, en los siguientes escenarios de aplicación:

Sensor de frente de onda Shack-Hartmann
Tratamientos Médicos/Estéticos con Láser
Procesamiento de materiales con láser
Sensores de imagen CCD y CMOS