マイクロレンズ

マイクロレンズ は、一般的に直径が1ミリメートル（mm）未満、場合によっては10マイクロメートル（μm）程度の小型レンズです。レンズのサイズが小さいため、シンプルな設計でも優れた光学性能が得られますが、微細な構造による光回折によって望ましくない影響が生じる場合があります。典型的なマイクロレンズは、光を屈折させるための平面と球面凸面を持つ単一の素子で構成されています。マイクロレンズは非常に小さいため、それを支える基板は通常レンズよりも厚く、設計においてこの点を考慮する必要があります。より高度なレンズでは、非球面を使用したり、複数の光学材料層を用いて設計性能を実現したりする場合があります。

別のタイプのマイクロレンズは、2つの平坦で平行な面を持ち、レンズ全体にわたる屈折率の変化によって集束作用が得られます。これらは勾配屈折率（GRIN）レンズとして知られています。一部のマイクロレンズは、屈折率の変化と表面形状の両方によって集束作用を実現します。

マイクロレンズのもう一つの種類は、マイクロフレネルレンズとも呼ばれ、同心円状の曲面群で光を屈折させて集束させます。このようなレンズは非常に薄く軽量に作ることができます。バイナリ光学マイクロレンズは、回折によって光を集束させます。段差のある溝や、理想的な形状に近い多層構造を備えています。フォトリソグラフィーや反応性イオンエッチング（RIE）などの標準的な半導体プロセスを用いることで、製造や複製が容易になるという利点があります。

マイクロレンズアレイは、支持基板上に一次元または二次元アレイ状に形成された複数のレンズから構成されます。個々のレンズが円形の開口部を持ち、重なり合わないようにすれば、基板を最大限覆うために六角形アレイに配置できます。ただし、レンズ間には隙間が生じ、これはマイクロレンズの開口部を円形以外にすることでしか減らすことができません。光センサアレイでは、微小なレンズシステムが、光が画素デバイスの非感光領域に当たるのを防ぎ、フォトダイオード表面に光を集束させる役割を果たします。フィルファクターは、光センサに光を導く活性屈折領域と、マイクロレンズアレイが占める連続した全面積との比率です。

17 世紀、ロバート・フックとアントニ・ファン・レーウェンフックは、顕微鏡で使用する小型ガラスレンズを作る技術を開発しました。フックはベネチアン グラスの細いフィラメントを溶かし、溶融ガラスの表面張力によってレンズに必要な滑らかな球面を形成し、その後、従来の方法でレンズを取り付けて研磨しました。^{[ 1 ]}この原理は、フォトレジストやUV硬化エポキシなどの材料にフォトリソグラフィーを行い 、ポリマーを溶かして複数のレンズのアレイを形成することによって繰り返されました。^{[ 2 ] [ 3 ]}さらに最近では、懸濁液からのコロイド粒子の対流集合を使用してマイクロレンズ アレイが製造されています。^{[ 4 ]}

技術の進歩により、マイクロレンズをさまざまな方法で高精度に設計・製造することが可能になった。ほとんどの場合、複数のコピーが必要となり、これらはマスターレンズアレイから成形またはエンボス加工によって作製できる。マスターレンズアレイは、マスターレンズアレイをマンドレルとして使用して電鋳を生成することによって複製することもできる。数千個または数百万個の精密に配置されたレンズを含むアレイを製造できるようになったことで、用途が拡大している。^{[ 5 ]}

回折レンズの光学効率は溝構造の形状に依存し、理想的な形状が一連の段差や多層構造で近似できる場合、ウェハレベル光学などの集積回路産業向けに開発された技術を使用して構造を製造できる。このような回折レンズの研究はバイナリ光学として知られている。^{[ 6 ]}

近年のイメージングチップに搭載されるマイクロレンズは、ますます小型化が進んでいる。サムスンのミラーレスカメラNX1は、CMOSイメージングチップ上に2820万個のマイクロレンズを搭載しており、各フォトサイトにつき1個、各レンズの辺の長さはわずか3.63マイクロメートルである。スマートフォンでは、このプロセスはさらに小型化されている。サムスンのGalaxy S6は、ピクセルサイズがわずか1.12マイクロメートルのCMOSセンサーを搭載している。これらのピクセルは、同様に小さなピッチのマイクロレンズで覆われている。

マイクロレンズは液体からも作製できる。^{[ 7 ]}最近、超高速レーザー3Dナノリソグラフィー技術により、ガラスのような弾力性のある自由形状マイクロレンズが実現された。フェムト秒パルス照射で持続する約2 GW/cm²の強度は、^高出力および/または過酷な環境アプリケーションでの可能性を示している。^{[ 8 ]}

バイオマイクロレンズは、生物試料に損傷を与えることなく画像化するために開発されました。^{[ 9 ] [ 10 ]}これらは、ファイバープローブに付着した単一の細胞から作ることができます。

単一のマイクロレンズは、光を光ファイバーに結合するために使用されます。マイクロレンズアレイは、 CCDアレイやCMOSセンサーの光収集効率を高め、センサーの非感光領域に照射されるはずだった光を集めて集光するためによく使用されます。マイクロレンズアレイは、投影する画像を生成するために使用されるLCDのアクティブ領域に光を集光するために、一部のデジタルプロジェクターでも使用されています。現在の研究では、さまざまなタイプのマイクロレンズが、発電用の高効率太陽光発電の集光器として機能することにも依存しています。 ^{[ 14 ]}

Combinations of microlens arrays have been designed that have novel imaging properties, such as the ability to form an image at unit magnification and not inverted as is the case with conventional lenses. Micro-lens arrays have been developed to form compact imaging devices for applications such as photocopiers and mobile-phonecameras.

Another application is in 3D imaging and displays. In 1902, Frederic E. Ives proposed the use of an array of alternately transmitting and opaque strips to define the viewing directions for a pair of interlaced images and hence enable the observer to see a 3D stereoscopic image.^[15] The strips were later replaced by Hess with an array of cylindrical lenses known as a lenticular screen, to make more efficient use of the illumination.^[16]

Hitachi have 3D displays free of 3D glasses using arrays of microlens to create the stereoscopic effect.

More recently, the availability of arrays of spherical micro-lenses has enabled Gabriel Lippmann's idea for integral photography to be explored and demonstrated.^[17][18] Colloidal micro-lenses have also enabled single molecule detection when used in conjunction with a long working distance, low light collection efficiency objective lens.^[19]

Micro-lens arrays are also used by Lytro to achieve light field photography (plenoptic camera) that eliminates the need for initial focusing prior to capturing images. Instead, focus is achieved in software during post-processing.^[20]

In order to characterize micro-lenses it is necessary to measure parameters such as the focal length and quality of transmitted wavefront.^[21] Special techniques and new definitions have been developed for this.

例えば、このような小さなレンズの主面を特定することは実際的ではないため、測定はレンズまたは基板表面に対して行われることが多い。レンズを使用して光を光ファイバーに結合する場合、集束波面は球面収差を示す可能性があり、マイクロレンズ開口部の異なる領域からの光は光軸上の異なる点に集束される可能性がある。ファイバー開口部で最大の光量が集中する距離を知ることは有用であり、これらの要因により焦点距離の新しい定義が生まれた。マイクロレンズの測定値を比較し、部品を交換できるようにするために、マイクロレンズの特性を定義し、適切な測定方法を記述することで、ユーザーと製造業者を支援する一連の国際規格が開発されている。^{[ 22 ] [ 23 ] [ 24 ] [ 25 ]}

マイクロ光学の例は、葉の光合成のための光を集める単純な構造から昆虫の複眼まで、自然界に見られる。マイクロレンズや検出器アレイの形成方法がさらに発展するにつれて、自然界に見られる光学設計を模倣する能力が、新しい小型光学システムにつながるだろう。^{[ 26 ] [ 27 ]}

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