Micro-Lens Array (MLA): Effektiv användning av ljus med användning av Sub-Micron-linser Anmärkning

Mars 17, 2023

Mikrolinser är submikrometerlinser (ofta upp till 10 mikron), vanligtvis gjorda av smält kiseldioxid på grund av dess utmärkta överföringsegenskaper av UV- till IR-strålar. MLA:er är en eller tvådimensionella arrayer av dessa mikrolinser (linser), mönstrade i en kvadratisk packningsordning på en wafer. MLAs tillverkas vanligtvis med standardhalvledarprocesser som fotolitografi och reaktiv jonetsning (RIE).

Teori

Packningen av linserna i en array bestämmer fyllningsfaktorn. Cirkulära linser på en fyrkantig wafer kommer att täcka π/4 = 78.5% av wafern. En högre fyllningsfaktor är önskvärd och kan uppnås genom hexagonal packning av linser som ses i figur 1 – men dessa arrayer är vanligtvis inte tillämpliga. Fyllningsfaktorn bestämmer materialets ljusgenomströmning, bortsett från transmissiviteten hos MLA.

Micro-Lens Array 1 — Figur 1. Fyrkantigt/hexagonalt arrangemangmönster

MLA:er implementeras i enheter som kräver en ökning av optisk fyllfaktor på grund av metallisk skärmning och icke-ljuskänsliga områden, utan användning av ytterligare optiska komponenter. Till exempel används MLA i laddningskopplade enheter (CCD) för att koncentrera ljuset till dess fotodiod snarare än metalliska exponeringsgrindar och sköld, där bildinformationen går förlorad.

Micro-Lens Array 2 — Figur 2. Parametrar för en konventionell lins

Micro-Lens Array 3 — Figur 3. Stråldiagram av lins med enkel/dubbel yta

Viktiga parametrar

Linsdiameter
Effektiv brännvidd (EFL)
Krökningsradie (ROC)

Arraystorlek
Brytningsindex, n
Lens Sag

Tillämpningar

MLAs kan homogenisera, kollimera och avbilda ljus från olika sändare, från excimerlasrar till högeffektslysdioder. De är användbara för tillämpningar som kräver hög frekvens och icke-Gaussisk enhetlighet.

Beroende på användningsfallet används specifika typer av mikrolinser som i (a) och (b) exempel.

a) Gradient-Index (GRIN) linser

GRIN-linser är gjorda av två plana och parallella ytor, där endast plana optiska ytor används istället för konventionella krökta ytor. Linsen har ett varierat brytningsindex genom linsen, vilket gör att ljusstrålar böjas inuti linsen (Figur 4). GRIN-linser är också vanligt förekommande i kopiatorer och skannrar.

Micro-Lens Array 4 — Figur 4. GRIN-lins som får ljusstrålar att böjas inuti

b) Micro-Fresnel-linser (MFL)

Fresnel-linser består av en serie koncentriska spår ingraverade i plast eller glas. Konturerna fungerar som individuella brytande ytor och böjer parallella ljusstrålar till en gemensam brännvidd (Figur 5), eller kollimerar strålen, beroende på riktningen. Ljusets utbredningsriktning ändras inte inom ett medium utan avviker endast vid ytan. Detta objektiv ger en bättre fokuseringsprestanda jämfört med konventionella objektiv. MFL används ofta i TLR/SLR-kameraskärmar.

Micro-Lens Array 5 — Figur 5. MFL-lins som får strålar att fokusera

MLA-system används i, men inte begränsat till, följande applikationsscenarier:

Shack-Hartmann Wavefront Sensor
Medicinska/estetiska laserbehandlingar
Bearbetning av lasermaterial
CCD & CMOS bildsensorer