Introducción a las matrices de microlentes 丨Métodos de procesamiento y aplicaciones

¿Qué es un conjunto de microlentes?

El conjunto de microlentes (MLA) es un conjunto de varias microlentes con aperturas de micras y profundidades de relieve en una disposición específica. Ajustando la forma, la distancia focal, la disposición y el ciclo de trabajo de las microlentes del conjunto de microlentes, se pueden conseguir determinadas funciones ópticas y mejorar la integración y el rendimiento del sistema óptico. En función del principio de modulación del haz, pueden utilizarse microlentes difractivas y microlentes refractivas.

La idea del conjunto de lentes se derivó de la estructura del ojo compuesto en biónica. El sistema visual del ojo compuesto de los animales en la naturaleza se ha estudiado sistemáticamente desde principios del siglo XX. El ojo compuesto de la mosca doméstica consta de unos 4.000 pequeños ojos, en los que las pequeñas superficies oculares tienen generalmente forma hexagonal y actúan como diminutas unidades ópticas. Fue inspirándose en la estructura del ojo compuesto como Lippmann introdujo en Francia el concepto de los conjuntos de microlentes en 1908.

Materiales habituales de las microlentes

El primer paso en el proceso de diseño y fabricación de microlentes es la selección de materiales para fabricarlas. Entre los materiales más utilizados se encuentran el polidimetilsiloxano (PDMS), el polimetacrilato de metilo (PMMA), la fotorresistencia, el dióxido de silicio (SiO2), etc.

Polidimetilsiloxano (PDMS, polydimethylsiloxane)Se trata de un polímero termoendurecible que contiene silicona, con baja energía superficial y propiedades hidrófobas, que presenta buenas propiedades mecánicas y térmicas a altas temperaturas, al tiempo que proporciona un buen acabado superficial. Además, evita que el polímero se adhiera a la superficie del molde durante el proceso de separación, lo que facilita el desmoldeo. Y el PDMS original tiene una buena transmisión de la luz en la región visible (400-700 nm), con mayor transmisión de la luz que el 93%. Debido a la buena elasticidad, flexibilidad, estabilidad y propiedades ópticas del PDMS. Como resultado, el PDMS puede utilizarse como herramienta de estampación para la fabricación de diversas microlentes poliméricas, especialmente en el método de estampación en caliente. Debido a su buena elasticidad, flexibilidad, estabilidad y propiedades ópticas, el PDMS se ha utilizado ampliamente en la litografía blanda para la fabricación de moldes elastoméricos.

Polimetacrilato de metilo (PMMA, polymethyl methacrylate)El PMMA es el mejor material polimérico termoplástico transparente disponible, con una transmisión luminosa de hasta 92%, gran transparencia y brillo, buena resistencia al calor y buena tenacidad. También tiene las ventajas de su bajo coste, alta resistencia mecánica y fácil procesamiento. A menudo se utiliza como material sustitutivo del vidrio. Cuando se calienta por encima de la temperatura de transición vítrea, el PMMA presenta una buena plasticidad y puede procesarse para el estampado en caliente. Si se ajusta a la temperatura de gofrado adecuada, se puede conseguir un relleno completo de la cavidad. Además, el PMMA tiene diversas aplicaciones en métodos de fabricación de microlentes, como la impresión por chorro de tinta y la escritura directa por haz de energía.

FotoresistenteBajo determinadas longitudes de onda de luz ultravioleta, se producirá una reacción para completar la conversión en estado sólido. La fotorresistencia se caracteriza por su alta sensibilidad, alto curado y curado rápido. Se utiliza ampliamente en la impresión por inyección de tinta y en el reflujo en caliente de fotorresistencias para la fabricación de microlentes. La fotorresistencia negativa SU-8 es un material prometedor para la fabricación de microlentes debido a su alta transmisión de luz, alto índice de refracción y baja contracción del volumen de polímero en el rango visible a infrarrojo cercano. El SU-8 también tiene buenas propiedades mecánicas, térmicas y ópticas, lo que lo hace adecuado para la fabricación de componentes microópticos.

Parámetros clave que afectan a la obtención de imágenes de matrices de microlentes

Factor de llenado El nivel alto refleja el elevado aprovechamiento de la luz incidente por el conjunto de microlentes. Cuanto mayor sea el valor, mayor será la tasa de transmisión del conjunto de microlentes, más energía luminosa llegará a la superficie de la imagen y menores serán las pérdidas.

Formas/perfiles

Formas de lente: esférica, asférica, cilíndrica, no cilíndrica, de forma libre, toroidal, mini-Fresnel, deformada o bicónica
Una cara (plano-convexa y plano-cóncava) o dos caras (plano-convexa, plano-cóncava o cóncava-convexa)

Curvatura

La curvatura afecta a la distancia focal y a la NA

Método de preparación y procesamiento de conjuntos de microlentes

Método de fabricación de conjuntos de microlentes		Ventajas	Desventajas	Diámetro de la microlente
Método directo	Tecnología de gofrado nanotérmico	Fácil de manejar Bajo coste Alta precisión Adecuado para la preparación a gran escala	Dificultad para crear plantillas Equipos caros	~500 μm
	Proceso de inyección de microgotas (Impresión de inyección de tinta)	Tratamiento sencillo Bajo coste Puede fabricarse en sustratos flexibles Adecuado para la preparación a gran escala	Apertura numérica baja Difícil controlar el tamaño y la forma de la superficie	50-100 μm
	Impresión electrohidrodinámica (Impresión por chorro electrónico)	Gran suavidad superficial Alta eficacia de procesamiento Proceso de fabricación flexible y fiable	Pueden formarse gotas satélites si la tensión es inestable	~5 μm
	Método de autoensamblaje	Fácil de producir Buen rendimiento de imagen Preparación de grandes superficies	Difícil mantener la coherencia	~200 μm
	Método de reflujo térmico (Método de fusión en caliente de fotorresistencia)	Proceso de producción sencillo Bajo coste Tiempo de ciclo corto Alta eficacia Fácil control de los parámetros del proceso	Se requieren temperaturas de calentamiento más elevadas Dificultad para controlar la geometría y la uniformidad de la lente Apertura numérica baja	30-200 μm
	Métodos de fabricación por láser (escritura directa por haz de electrones, escritura directa por haz de iones focalizados, láser de femtosegundo, impresión 3d por polimerización de dos fotones, etc.)	Alta resolución Gran flexibilidad	Alta complejidad del proceso Largos ciclos de procesamiento Equipos caros	~10 μm
Método indirecto	Grabado húmedo	Gran suavidad superficial Buena homogeneidad Buena repetibilidad	Equipos caros Es necesario preparar la mascarilla	5 - 60 μm
Método indirecto	Litografía blanda	Forma controlada Adecuado para la preparación de grandes superficies	Plantillas que deben prepararse Complejos y caros de producir	~445 nm

Aplicaciones de las matrices de microlentes

Las matrices de microlentes se utilizan sobre todo para mejorar la eficacia de captación de luz de las matrices de dispositivos de carga acoplada. Recogen y enfocan la luz que, de otro modo, incidiría en las zonas no sensibles del CCD. Las matrices de microlentes también suelen utilizarse en proyectores digitales para enfocar la luz. También hay combinaciones de matrices de microlentes diseñadas para nuevas funciones de imagen, como la capacidad de mostrar imágenes con un aumento unitario sin inversión de la imagen. Las matrices de microlentes también se utilizan en dispositivos de imagen compactos, como las cámaras de los teléfonos inteligentes. También se pueden utilizar en microscopios ópticos, donde se pueden emplear dos matrices para conseguir una iluminación uniforme. Por último, las matrices de microlentes también se utilizan para permitir la fotografía de campo claro (cámaras totalmente ópticas), de modo que las imágenes se pueden capturar sin enfoque inicial. En su lugar, el enfoque se consigue durante el postprocesado de la imagen mediante software.

Hoy en día, las matrices de microlentes se están convirtiendo en parte integrante de la mayoría de los sistemas ópticos. Entre las aplicaciones para las que se utilizan figuran.