마이크로 렌즈 어레이 소개 丨 처리 방법 및 애플리케이션

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마이크로렌즈 어레이란 무엇인가요?

마이크로렌즈 어레이(MLA)는 조리개와 릴리프 깊이가 미크론 단위인 여러 개의 마이크로렌즈를 특정 배열로 배열한 것입니다. 마이크로렌즈 어레이에서 마이크로렌즈의 모양, 초점 거리, 배열 및 듀티 사이클을 조정하여 특정 광학 기능을 달성하고 광학 시스템의 통합 및 성능을 향상시킬 수 있습니다. 빔의 변조 원리에 따라 회절 마이크로렌즈와 굴절 마이크로렌즈를 사용할 수 있습니다.

렌즈 어레이의 아이디어는 생체공학의 복합 눈 구조에서 파생되었습니다. 자연계에 존재하는 동물의 복합 눈의 시각 시스템은 20세기 초부터 체계적으로 연구되어 왔습니다. 집파리의 복합 눈은 약 4,000개의 작은 눈으로 구성되어 있으며, 작은 눈 표면은 일반적으로 육각형 모양이며 작은 광학 단위로 작동합니다. 1908년 프랑스의 리프만이 마이크로렌즈 어레이 개념을 도입한 것은 이 복합 눈의 구조에서 영감을 얻었습니다.

마이크로렌즈에 사용되는 일반적인 재료

마이크로렌즈 설계 및 제작 공정의 첫 번째 단계는 마이크로렌즈를 만들기 위한 재료를 선택하는 것으로, 일반적으로 사용되는 재료로는 폴리디메틸실록산(PDMS), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 포토레지스트, 이산화규소(SiO2) 등이 있습니다.
  • 폴리디메틸실록산(PDMS, 폴리디메틸실록산)낮은 표면 에너지와 소수성 특성을 가진 실리콘 함유 열경화성 폴리머로, 고온에서 우수한 기계적 및 열적 특성을 나타내며 표면 마감이 우수합니다. 또한 분리 과정에서 폴리머가 금형 표면에 달라붙는 것을 방지하여 탈형을 용이하게 합니다. 또한 오리지널 PDMS는 가시광선 영역(400-700nm)에서 93%보다 높은 광선 투과율로 우수한 광선 투과율을 가지고 있습니다. PDMS의 우수한 탄성, 유연성, 안정성 및 광학적 특성으로 인해. 결과적으로 PDMS는 특히 핫 엠보싱 방식에서 다양한 폴리머 마이크로렌즈 제조를 위한 엠보싱 도구로 사용할 수 있습니다. 우수한 탄성, 유연성, 안정성 및 광학적 특성으로 인해 PDMS는 탄성 금형 제조를 위한 소프트 리소그래피에 널리 사용되어 왔습니다.
  • 폴리메틸 메타크릴레이트(PMMA, 폴리메틸 메타크릴레이트)PMMA는 최대 92%의 광 투과율, 높은 투명도와 밝기, 우수한 내열성, 우수한 인성을 갖춘 최고의 투명 열가소성 폴리머 소재입니다. 또한 저렴한 비용, 높은 기계적 강도 및 손쉬운 가공이라는 장점도 있습니다. 유리의 대체 재료로 자주 사용됩니다. 유리 전이 온도 이상으로 가열하면 PMMA는 우수한 가소성을 나타내며 핫 엠보싱 가공이 가능합니다. 적절한 엠보싱 온도로 조정하면 완전한 캐비티 충전을 달성 할 수 있습니다. 또한 PMMA는 잉크젯 인쇄 및 에너지 빔 직접 쓰기와 같은 마이크로렌즈 제조 방식에 다양하게 응용할 수 있습니다.
  • 포토레지스트특정 파장의 자외선 아래에서 반응이 일어나 고체 상태 변환이 완료됩니다. 포토레지스트는 고감도, 고경화 및 빠른 경화가 특징입니다. 마이크로렌즈 제조를 위한 잉크젯 인쇄 및 포토레지스트 핫 리플로우에 널리 사용됩니다. SU-8 네거티브 포토레지스트는 가시광선부터 근적외선 범위에서 높은 광 투과율, 높은 굴절률, 낮은 폴리머 부피 수축으로 인해 마이크로렌즈 제조에 유망한 소재입니다. SU-8은 또한 기계적, 열적, 광학적 특성이 우수하여 마이크로 광학 부품 제조에 적합합니다.

마이크로렌즈 어레이의 이미징에 영향을 미치는 주요 파라미터

충전 계수 높은 레벨은 마이크로렌즈 어레이의 입사광 활용도가 높다는 것을 반영합니다. 값이 높을수록 마이크로렌즈 어레이의 투과율이 높아져 더 많은 빛 에너지가 이미지 평면에 도달하고 손실이 낮아집니다. 

도형/프로필 

렌즈 모양: 구면, 비구면, 원통형, 비원통형, 자유형, 토로이달형, 미니 프레넬, 변형 또는 바이노니컬 
단면(평면 볼록 및 평면 오목) 또는 양면(평면 볼록, 평면 오목 또는 오목 볼록) 

곡률 
곡률은 초점 거리와 NA에 영향을 미칩니다.

마이크로렌즈 어레이 준비 및 처리 방법

마이크로렌즈 어레이 제작 방법장점단점마이크로렌즈 직경
직접 방법나노 열 엠보싱 기술간편한 조작
저렴한 비용
높은 정밀도
대규모 준비에 적합		템플릿을 만들기 어려움
고가의 장비		~500μm
마이크로 드롭 주입 프로세스
(잉크젯 인쇄)		간단한 처리
저렴한 비용
유연한 기판에서 제작 가능
대규모 준비에 적합		낮은 수치 조리개
크기와 표면 모양을 제어하기 어려움		50-100 μm
전기 유체 역학 인쇄
(전자 제트 인쇄)		높은 표면 평활도
높은 처리 효율성
유연하고 안정적인 제조 공정		전압이 불안정하면 위성 방울이 형성될 수 있습니다.~5μm
자체 조립 방법간편한 생산
우수한 이미징 성능
넓은 면적 준비		일관성 유지가 어려움~200 μm
열 환류 방식
(포토레지스트 핫멜트 방식)		간단한 제작 프로세스
저렴한 비용
짧은 주기 시간
높은 효율성
간편한 프로세스 매개변수 제어		더 높은 가열 온도 필요
렌즈의 기하학적 구조와 균일성을 제어하기 어려움
낮은 수치 조리개		30-200 μm
레이저 기반 제조 방법
(전자빔 직접 쓰기, 집속 이온 빔 직접 쓰기, 펨토초 레이저, 2광자 중합 3D 프린팅 등)		고해상도
높은 유연성		높은 프로세스 복잡성
긴 처리 주기
고가의 장비		~10μm
간접 방법습식 에칭높은 표면 평활도
우수한 균질성
우수한 반복성		고가의 장비
마스크 준비 필요		5 - 60 μm
소프트 리소그래피제어된 모양
넓은 면적 준비에 적합		준비할 템플릿
복잡하고 비용이 많이 드는 생산		~445nm

마이크로렌즈 어레이의 애플리케이션

마이크로렌즈 어레이는 전하 결합 장치 어레이의 집광 효율을 개선하는 데 가장 일반적으로 사용됩니다. 마이크로렌즈 어레이는 CCD의 민감하지 않은 영역에 떨어질 수 있는 빛을 모아 초점을 맞춥니다. 마이크로렌즈 어레이는 디지털 프로젝터에서도 일반적으로 빛을 집중시키는 데 사용됩니다. 이미지 반전 없이 단위 배율로 이미지를 표시하는 기능과 같은 새로운 이미징 기능을 위해 설계된 마이크로렌즈 어레이의 조합도 있습니다. 마이크로렌즈 어레이는 스마트폰 카메라와 같은 소형 이미징 장치에도 사용됩니다. 또는 두 개의 어레이를 사용하여 균일한 조명을 얻을 수 있는 광학 현미경에 사용할 수도 있습니다. 마지막으로, 마이크로렌즈 어레이는 라이트 필드 촬영(전광 카메라)에도 사용되어 초기 초점 없이 이미지를 캡처할 수 있습니다. 대신 소프트웨어를 사용하여 이미지를 후처리하는 동안 초점을 맞출 수 있습니다. 

오늘날 마이크로렌즈 어레이는 대부분의 광학 시스템에서 필수적인 부분이 되고 있습니다. 마이크로렌즈 어레이가 사용되는 애플리케이션은 다음과 같습니다.

 

  • 공초점 현미경
  • 디지털 프로젝터
  • 디스플레이 및 HUD 이미징 시스템
  • 조명 시스템
  • 라이더 시스템
  • 라이트 필드 카메라 및 시스템
  • 의료용 레이저 시스템
  • 광학 센서
  • 백색광 간섭계

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