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光電/顯示技術  

軟性微透鏡陣列可望實現環景視野

上網時間: 2015年12月01日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:微透鏡陣列  FZP  環景視野  矽奈米線  MEMS 

美國威斯康辛大學-麥迪遜分校(University of Wisconsin-Madison;UW-Madison)的研究人員設計出一款生物啟發的微透鏡陣列,可實現環景影像。他們的靈感來自於觀察昆蟲的複眼——這種特性讓昆蟲得以有廣大的視野,例如有些蜻蜓甚至可達到360°的環景視野

多攝影機的圓頂結構通常用於在固定的宏觀層次上實現較大視野。然而,研究人員在此著眼於在軟性薄膜上製造微米級透鏡陣列,因為其曲率同時決定了透鏡的視野及其聚焦深度。

為了能夠在薄至100um的軟性聚合物薄膜上打造微透鏡,研究人員們選擇平坦的菲涅耳波帶片(Fresnel zone plate;FZP)配置,透過同心衍射屏障使光聚焦,而在通過邊緣時彎曲光路,取代傳統光學透鏡(具有多層不同折射率)依靠折射控制光路的方式。

在UW-Madison電子與電腦工程系教授Hongrui Jiang的帶領下,研究人員們打造出一款間距為500μm的10x10 FZP微透鏡陣列,每個透鏡的直徑約為450μm。整個陣列的尺寸約為5x5mm。

他們一開始先在350μm厚的矽晶圓上採用各種微影與蝕刻步驟,準備生長矽奈米線(FZP同心光阻環的黑矽);接著,研究人員們以100μm厚的PDMS層塗佈晶圓,然後再用乾式蝕刻過程移除晶圓背面的矽晶,因而有效地取得內部嵌入FZP的軟性透明聚合物薄膜。


圖1:形成FZP(a,b)暗區的矽奈米線,他們可像同心環一樣嵌入於PDMS矩陣(c)中形成FZP(d)。完整的陣列可加以彎曲與拉伸(e,f)。
(來源:UW-Madison)

微型的透鏡陣列可加以彎曲與拉伸形成各種不同的配置,從而擴大整體視野(透過相鄰透鏡密合所取得的影像),或在中心透鏡隨彎曲動作來回移動時改變聚焦深度。


圖2:圓柱形的佈局配置,讓研究人員們得以實現170°的視野
(來源:UW-Madison)

而在捲成圓柱狀後,該陣列還能擷取涵蓋170°視野的環景影像,同時達到約2.5mm左右的聚焦深度。根據研究人員表示,影像之間的重疊使其得以實現高傳真度的影像密合(達到8.8μm的解析度),讓透鏡陣列所能擷取的影像區域較單透鏡擷取途徑更高3.8倍。


圖3:穿透式FZP陣列可實現不同的彎曲配置,讓相鄰透鏡在焦距隨基板彎曲發生變化時重疊視野
(來源:UW-Madison)

雖然微透鏡的實際光學特性可在製造過程中經由改變間距、直徑與同心黑環數而自行設定,但也可以在單透鏡中透過拉伸與彎曲進一步調整。

此外,這些透鏡陣列還可能導入微型機器人與監控系統,以及用於實現內腔鏡或體內顯微鏡的微創手術光學系統。

為了展示其研究成果,研究人員彎曲透鏡陣列的單軸以控制聚焦(取代位於中央的透鏡),但為了控制所有透鏡的光學聚焦,他們還必須控制所有的透鏡位置。

由於這種薄膜具有伸縮性,因而可纏繞在圓柱體上,透過增減其半徑來控制完整視野的光學焦距。Jiang指出,未來的研究將著重於整合透鏡背後的MEMS的致動器,以實現精確的徑向控制。他深信,這種透鏡陣列結合更貼合的塑料影像感測器(如ISORG 與Plastic Logic共同開發的)後,可望為微相機系統實現360°的環景視野。

編譯:Susan Hong

(參考原文:Thin film micro-lenses stretch to focus,by Julien Happich)





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