Microlente

Una microlente es una lente pequeña , generalmente con un diámetro inferior a un milímetro (mm) y, a menudo, tan pequeña como 10 micrómetros (μm). El pequeño tamaño de las lentes significa que un diseño simple puede brindar una buena calidad óptica, pero a veces surgen efectos no deseados debido a la difracción óptica en las características pequeñas. Una microlente típica puede ser un elemento único con una superficie plana y una superficie esférica convexa para refractar la luz. Debido a que las microlentes son tan pequeñas, el sustrato que las sostiene suele ser más grueso que la lente y esto debe tenerse en cuenta en el diseño. Las lentes más sofisticadas pueden utilizar superficies asféricas y otras pueden utilizar varias capas de material óptico para lograr el rendimiento de su diseño.

Un tipo diferente de microlente tiene dos superficies planas y paralelas y la acción de enfoque se obtiene mediante una variación del índice de refracción a lo largo de la lente. Estas se conocen como lentes de índice de gradiente (GRIN) . Algunas microlentes logran su acción de enfoque mediante una variación en el índice de refracción y mediante la forma de la superficie.

Otra clase de microlentes, a veces conocidas como microlentes de Fresnel , enfocan la luz por refracción en un conjunto de superficies curvas concéntricas. Estas lentes pueden ser muy delgadas y livianas. Las microlentes de óptica binaria enfocan la luz por difracción . Tienen ranuras con bordes escalonados o multiniveles que se aproximan a la forma ideal. Tienen ventajas en la fabricación y replicación mediante el uso de procesos de semiconductores estándar como la fotolitografía y el grabado de iones reactivos (RIE).

Los conjuntos de microlentes contienen múltiples lentes formadas en un conjunto unidimensional o bidimensional sobre un sustrato de soporte. Si las lentes individuales tienen aberturas circulares y no se les permite superponerse, se pueden colocar en un conjunto hexagonal para obtener la máxima cobertura del sustrato. Sin embargo, seguirá habiendo espacios entre las lentes que solo se pueden reducir haciendo las microlentes con aberturas no circulares. Con conjuntos de sensores ópticos , los sistemas de lentes diminutos sirven para enfocar y concentrar la luz sobre la superficie del fotodiodo, en lugar de permitir que caiga sobre áreas no fotosensibles del dispositivo de píxeles. El factor de relleno es la relación entre el área de refracción activa, es decir, el área que dirige la luz al fotosensor, y el área contigua total ocupada por el conjunto de microlentes.

En el siglo XVII, Robert Hooke y Antonie van Leeuwenhoek desarrollaron técnicas para fabricar pequeñas lentes de vidrio para usar con sus microscopios . Hooke fundió pequeños filamentos de vidrio veneciano y permitió que la tensión superficial en el vidrio fundido formara las superficies esféricas suaves necesarias para las lentes, luego montó y pulió las lentes utilizando métodos convencionales. ^[1] El principio se ha repetido realizando fotolitografía en materiales como fotorresistencia o epoxi curable por UV y fundiendo el polímero para formar conjuntos de múltiples lentes. ^{[2] [3]} Más recientemente, se han fabricado conjuntos de microlentes utilizando ensamblaje convectivo de partículas coloidales a partir de suspensión. ^[4]

Los avances tecnológicos han permitido diseñar y fabricar microlentes con tolerancias muy ajustadas mediante diversos métodos. En la mayoría de los casos, se requieren múltiples copias, que se pueden formar mediante moldeo o estampación a partir de una matriz de lentes maestra. La matriz de lentes maestra también se puede replicar mediante la generación de un electroformado utilizando la matriz de lentes maestra como mandril . La capacidad de fabricar matrices que contienen miles o millones de lentes espaciadas con precisión ha dado lugar a un mayor número de aplicaciones. ^[5]

La eficiencia óptica de las lentes difractoras depende de la forma de la estructura de la ranura y, si la forma ideal puede aproximarse mediante una serie de pasos o niveles múltiples, las estructuras pueden fabricarse utilizando tecnología desarrollada para la industria de circuitos integrados , como la óptica a nivel de oblea . El estudio de dichas lentes difractoras se conoce como óptica binaria. ^[6]

Las microlentes de los últimos chips de imagen han ido adquiriendo tamaños cada vez más pequeños. La cámara sin espejo Samsung NX1 incorpora 28,2 millones de microlentes en su chip de imagen CMOS, una por cada sitio de fotos, cada una con una longitud lateral de tan solo 3,63 micrómetros. En los smartphones, este proceso se ha miniaturizado aún más: el Samsung Galaxy S6 tiene un sensor CMOS con píxeles de tan solo 1,12 micrómetros cada uno. Estos píxeles están cubiertos con microlentes de un tamaño igualmente pequeño.

Las microlentes también se pueden fabricar a partir de líquidos. ^[7] Recientemente, se han creado microlentes flexibles de forma libre similares al vidrio mediante una técnica de nanolitografía láser 3D ultrarrápida. La intensidad sostenida de ~2 GW/cm2 ^para la irradiación pulsada de femtosegundos muestra su potencial en aplicaciones de alta potencia y/o en entornos hostiles. ^[8]

Se han desarrollado biomicrolentes para obtener imágenes de muestras biológicas sin causar daños. ^{[9] [10]} Estas pueden fabricarse a partir de una sola célula unida a una sonda de fibra.

La óptica a nivel de oblea (WLO) permite el diseño y la fabricación de ópticas miniaturizadas a nivel de oblea utilizando técnicas avanzadas similares a las de los semiconductores . El producto final es una óptica miniaturizada y rentable que permite el factor de forma reducido de los módulos de cámara para dispositivos móviles . ^[11]

La tecnología es escalable desde una lente CIF/VGA de un solo elemento hasta una estructura de lente de megapíxeles de múltiples elementos , donde las obleas de la lente se alinean con precisión, se unen entre sí y se cortan para formar pilas de lentes de múltiples elementos. En 2009, la tecnología se utilizaba en aproximadamente el 10 por ciento del mercado de lentes para cámaras de teléfonos móviles. ^[12]

La metodología de apilamiento de semiconductores ahora se puede utilizar para fabricar elementos ópticos a nivel de oblea en un paquete a escala de chip. El resultado es un módulo de cámara a nivel de oblea que mide 0,575 mm x 0,575 mm. El módulo se puede integrar en un catéter o endoscopio con un diámetro tan pequeño como 1,0 mm. ^[13]

Las microlentes individuales se utilizan para acoplar la luz a las fibras ópticas ; los conjuntos de microlentes se utilizan a menudo para aumentar la eficiencia de recolección de luz de los conjuntos de CCD y sensores CMOS , para recolectar y enfocar la luz que de otro modo habría caído sobre las áreas no sensibles del sensor. Los conjuntos de microlentes también se utilizan en algunos proyectores digitales , para enfocar la luz en las áreas activas de la pantalla LCD que se utilizan para generar la imagen que se proyectará. La investigación actual también se basa en microlentes de varios tipos para actuar como concentradores de energía fotovoltaica de alta eficiencia para la producción de electricidad. ^[14]

Se han diseñado combinaciones de conjuntos de microlentes que tienen propiedades de imagen novedosas, como la capacidad de formar una imagen con un aumento unitario y no invertida como es el caso de las lentes convencionales. Se han desarrollado conjuntos de microlentes para formar dispositivos de imagen compactos para aplicaciones como fotocopiadoras y cámaras de teléfonos móviles .

Otra aplicación es la de las imágenes y pantallas 3D . En 1902, Frederic E. Ives propuso el uso de una matriz de tiras opacas y transmisoras alternadas para definir las direcciones de visualización de un par de imágenes entrelazadas y, por lo tanto, permitir que el observador vea una imagen estereoscópica 3D . ^[15] Las tiras fueron reemplazadas más tarde por Hess por una matriz de lentes cilíndricas conocidas como pantalla lenticular , para hacer un uso más eficiente de la iluminación. ^[16]

Hitachi tiene pantallas 3D que no requieren gafas 3D y que utilizan conjuntos de microlentes para crear el efecto estereoscópico. ^{[ cita requerida ]}

Más recientemente, la disponibilidad de conjuntos de microlentes esféricas ha permitido explorar y demostrar la idea de Gabriel Lippmann para la fotografía integral . ^{[17] [18]} Las microlentes coloidales también han permitido la detección de moléculas individuales cuando se utilizan junto con un objetivo de distancia de trabajo larga y baja eficiencia de recolección de luz. ^[19]

Lytro también utiliza conjuntos de microlentes para lograr fotografías de campo de luz ( cámara plenóptica ) que eliminan la necesidad de enfocar inicialmente antes de capturar imágenes. En cambio, el enfoque se logra en el software durante el posprocesamiento. ^[20]

Para caracterizar las microlentes es necesario medir parámetros como la longitud focal y la calidad del frente de onda transmitido . ^[21] Se han desarrollado técnicas especiales y nuevas definiciones para esto.

Por ejemplo, debido a que no es práctico localizar los planos principales de lentes tan pequeñas, las mediciones se realizan a menudo con respecto a la superficie de la lente o del sustrato. Cuando se utiliza una lente para acoplar luz a una fibra óptica, el frente de onda enfocado puede presentar aberración esférica y la luz de diferentes regiones de la apertura de la microlente puede enfocarse en diferentes puntos del eje óptico . Es útil conocer la distancia a la que se concentra la cantidad máxima de luz en la apertura de la fibra y estos factores han dado lugar a nuevas definiciones de longitud focal. Para permitir que se comparen las mediciones de las microlentes y se intercambien las piezas, se ha desarrollado una serie de normas internacionales para ayudar a los usuarios y fabricantes definiendo las propiedades de las microlentes y describiendo los métodos de medición adecuados. ^{[22] [23] [24] [25]}

En la naturaleza se pueden encontrar ejemplos de microóptica, desde estructuras simples para captar luz para la fotosíntesis en las hojas hasta ojos compuestos en los insectos . A medida que se desarrollen más métodos para formar microlentes y conjuntos de detectores, la capacidad de imitar diseños ópticos que se encuentran en la naturaleza conducirá a nuevos sistemas ópticos compactos. ^{[26] [27]}

• Lente lenticular
• Imágenes integrales
• Cámara plenóptica