マイクロレンズアレイの紹介丨加工方法と応用例

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マイクロレンズアレイとは何ですか？

マイクロレンズアレイ（MLA）とは、ミクロン単位の開口数とレリーフ深さを持つ複数のマイクロレンズを特定の配置で配列したものである。マイクロレンズアレイのマイクロレンズの形状、焦点距離、配置、デューティサイクルを調整することで、特定の光学機能を実現し、光学系の集積度や性能を向上させることができる。ビームの変調原理に応じて、回折型マイクロレンズと屈折型マイクロレンズを使用することができます。

レンズアレイの発想は、バイオニクスにおける複眼構造から生まれた。自然界における動物の複眼の視覚系は、20世紀初頭から体系的に研究されてきた。イエバエの複眼は、約4,000個の小さな目からなり、その小さな目の表面は一般に六角形で、小さな光学ユニットとして機能する。1908年にフランスのリップマンがマイクロレンズアレイの概念を導入したのも、この複眼路の構造にヒントを得てのことだった。

マイクロレンズに使用される一般的な材料

マイクロレンズの設計と製造プロセスの最初のステップは、マイクロレンズを作るための材料の選択です。一般的に使用される材料には、ポリジメチルシロキサン（PDMS）、ポリメチルメタクリレート（PMMA）、フォトレジスト、二酸化ケイ素（SiO2）等があります。
  • ポリジメチルシロキサン（PDMS、polydimethylsiloxane）。表面エネルギーが低く、疎水性のあるシリコーン含有熱硬化性ポリマーで、高温で良好な機械的・熱的特性を示すとともに、良好な表面仕上げが可能です。さらに、分離工程でポリマーが金型表面に付着するのを防ぎ、脱型を助ける。そして、元のPDMSは可視領域（400～700nm）の光透過率が良好で、93%よりも光透過率が高い。 PDMSの良好な弾性、柔軟性、安定性および光学特性によるものである。その結果、PDMSは、特にホットエンボス法において、様々なポリマーマイクロレンズの製造のためのエンボスツールとして使用することができます。PDMSはその良好な弾性、柔軟性、安定性、光学的特性により、エラストマーモールドの製造のためのソフトリソグラフィーに広く使用されている
  • ポリメチルメタクリレート（PMMA、polymethyl methacrylate)PMMAは、光透過率が最大92%、高い透明性と輝度、良好な耐熱性、良好な靭性を持つ、最高の透明熱可塑性ポリマーである。また、低コストで機械的強度が高く、加工が容易であるという利点もあります。ガラスの代替材料として用いられることが多い。PMMAはガラス転移温度以上に加熱すると、良好な可塑性を示し、ホットエンボス加工が可能です。適切なエンボス加工温度に調整することで、キャビティへの完全な充填を実現することができます。また、PMMAは、インクジェットプリンティングやエネルギービーム直接描画などのマイクロレンズ製造方法にも応用されています。
  • フォトレジストある波長の紫外線のもとで反応が起こり、固体変換が完了します。フォトレジストは、高感度、高硬度、高速硬化が特徴です。インクジェット印刷やマイクロレンズ製造のためのフォトレジストホットリフローに広く使用されている。 SU-8ネガ型フォトレジストは、可視から近赤外領域において、高い光透過率、高い屈折率、低いポリマー体積収縮率を有することから、マイクロレンズ製造に有望な材料です。 また、SU-8は機械的特性、熱的特性、光学的特性も良好であり、マイクロ光学部品の製造に適している。

マイクロレンズアレイのイメージングに影響を与える主要なパラメーター

充填率 高レベルは、マイクロレンズアレイによる入射光の利用率の高さを反映しています。値が高いほど、マイクロレンズアレイの透過率が高くなり、より多くの光エネルギーが像面に到達し、損失が少なくなります。 

形状・プロファイル 

レンズ形状：球面、非球面、円筒、非円筒、自由曲面、トロイダル、ミニフレネル、デフォルメ、バイコニカル 
片面（平行凸面、平行凹面）、両面（平行凸面、平行凹面、凹凸面）。 

曲率 
曲率は焦点距離とNAに影響する

マイクロレンズアレイ作成・加工方法

マイクロレンズアレイの作製方法メリットデメリットマイクロレンズ径
ダイレクト方式ナノサーマルエンボス技術簡単な操作で
ローコスト
高精度
大規模な準備に適しています。		テンプレートの作成が難しい
高価な機器		~500 μm
マイクロドロップインジェクションプロセス
(インクジェット印刷)		シンプルな加工
ローコスト
フレキシブル基板への出力が可能
大規模な準備に適しています。		低開口数
サイズや表面形状のコントロールが難しい		50-100 μm
エレクトロ・ハイドロダイナミック・プリンティング
(E-jetプリント)		高い表面平滑性
高い処理効率
フレキシブルで信頼性の高い製造プロセス		電圧が不安定な場合、衛星の液滴が発生することがある~5 μm
自己組織化法生産が容易であること
良好な画像性能
大面積の準備		一貫性を保つのが難しい~200 μm
サーマルリフラックス法
(フォトレジストホットメルト法)		シンプルな製造工程
ローコスト
短いサイクルタイム
高効率
プロセスパラメーターを簡単にコントロールできる		より高い加熱温度が必要
レンズのジオメトリーや均一性のコントロールが難しい
低開口数		30-200 μm
レーザーを用いた製造方法
(電子線直接描画、集束イオンビーム直接描画、フェムト秒レーザー、二光子重合3dプリンティングなど）。		高解像度
高い柔軟性		高いプロセス複雑性
処理サイクルが長い
高価な機器		~10 μm
間接法ウエットエッチング高い表面平滑性
良好な均質性
良好な再現性		高価な機器
マスクの準備が必要		5 - 60 μm
ソフトリソグラフィー制御された形状
大面積の調理に適しています。		用意するテンプレート
複雑で生産コストが高い		~445nm

マイクロレンズアレイの応用

マイクロレンズアレイは、電荷結合素子アレイの集光効率を向上させるために最も一般的に使用されています。CCDの非感光部に当たってしまう光を集め、集光します。また、デジタルプロジェクターでも、集光するためにマイクロレンズアレイが使用されています。また、マイクロレンズアレイを組み合わせることで、単位倍率の画像を反転させることなく表示できるなど、新しい画像処理機能を実現することもできます。また、スマートフォンのカメラなど、小型の撮像素子にもマイクロレンズアレイが使用されています。また、光学顕微鏡では、2つのアレイで均一な照明を実現することもできます。また、マイクロレンズアレイは、ライトフィールド撮影（全光カメラ）にも利用され、最初にピントを合わせずに撮影することが可能です。その代わりに、ソフトウェアによる画像の後処理で焦点を合わせます。 

今日、マイクロレンズアレイは、ほとんどの光学系に不可欠な存在となりつつあります。その用途は以下の通りです。

 

  • コンフォーカルマイクロスコープ
  • デジタルプロジェクター
  • ディスプレイ・HUD映像システム
  • 照明システム
  • ライダーシステム
  • ライトフィールドカメラおよびシステム
  • 医療用レーザーシステム
  • 光センサー
  • 白色光干渉計

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