微光學概述定義與名稱
微(wei)光學是一門(men)屬于多門(men)前(qian)沿學科交叉(cha)領域(yu)的新(xin)興科學。微(wei)光學借助于微(wei)電(dian)子工業(ye)技(ji)術的最(zui)新(xin)研究成果，是國際上最(zui)前(qian)沿研究方向之一，并具(ju)有(you)廣泛的應用前(qian)途。
微光學元件(MOC)，指面(mian)(mian)(mian)(mian)形精度可達(da)亞微(wei)米(mi)(mi)級，表面(mian)(mian)(mian)(mian)粗(cu)糙度可達(da)納米(mi)(mi)級的(de)自(zi)由光(guang)學(xue)曲(qu)面(mian)(mian)(mian)(mian)及微(wei)結構光(guang)學(xue)元件(jian)。自(zi)由光(guang)學(xue)曲(qu)面(mian)(mian)(mian)(mian)包括有(you)回轉軸的(de)回轉非(fei)球面(mian)(mian)(mian)(mian)(如(ru)拋物面(mian)(mian)(mian)(mian)、漸開面(mian)(mian)(mian)(mian)等)，和(he)沒有(you)任何對稱軸的(de)非(fei)回轉非(fei)球面(mian)(mian)(mian)(mian)。
微結構(gou)是指(zhi)具有(you)特(te)定功能的微小表面拓撲形(xing)狀(zhuang)，如凹槽、微透鏡陣列(lie)等，如圖1所示的微金字塔結構(gou)表面。
圖1 微金字塔結構
這些(xie)結構決定了(le)對光(guang)(guang)線的(de)反(fan)射(she)，透(tou)射(she)或衍射(she)性能(neng)，便于光(guang)(guang)學(xue)設計者優化光(guang)(guang)學(xue)系統(tong)，減(jian)輕(qing)重量，縮小(xiao)(xiao)體積。典型微光(guang)(guang)學(xue)元(yuan)件(jian)(jian)(jian)如全息透(tou)鏡(jing)(jing)、衍射(she)光(guang)(guang)學(xue)元(yuan)件(jian)(jian)(jian)(DOE)和(he)梯度(du)折(zhe)射(she)率透(tou)鏡(jing)(jing)等(deng)，將這些(xie)微光(guang)(guang)學(xue)元(yuan)件(jian)(jian)(jian)應用(yong)在各(ge)種(zhong)光(guang)(guang)電子儀器(qi)中，可(ke)以使光(guang)(guang)電子儀器(qi)及其零部件(jian)(jian)(jian)更加小(xiao)(xiao)型化、陣列化和(he)集(ji)成化。
微光學元件的應用
微(wei)光學元件(jian)是(shi)制造小(xiao)(xiao)型光電子系統的(de)關鍵元件(jian)，它具(ju)有體積小(xiao)(xiao)、質量輕(qing)、造價低等優點，并且(qie)能夠實現(xian)普通(tong)光學元件(jian)難以實現(xian)的(de)微(wei)小(xiao)(xiao)、陣(zhen)列、集成(cheng)、成(cheng)像和(he)波面轉換等新功能。隨(sui)著系統小(xiao)(xiao)型化(hua)不斷的(de)成(cheng)為一種趨勢，幾乎(hu)在所(suo)有的(de)工程應用領(ling)域(yu)中，無(wu)論是(shi)現(xian)代(dai)國防科學技(ji)術領(ling)域(yu)，還(huan)是(shi)普通(tong)的(de)工業領(ling)域(yu)的(de)應用前(qian)景。
軍用(yong)方面，西(xi)方國家在70年(nian)代以后研(yan)制和生(sheng)產(chan)的(de)軍用(yong)光電系統，如軍用(yong)激光裝(zhuang)置(zhi)、熱成像裝(zhuang)置(zhi)、微光夜視頭盔、紅外掃描裝(zhuang)置(zhi)、導(dao)彈引導(dao)頭和各種(zhong)變(bian)焦鏡頭，均(jun)已在不同程度上(shang)采用(yong)了(le)非球面光學零件(jian)。
在一般民用(yong)光電(dian)系(xi)統(tong)方(fang)面(mian)，自由非(fei)球(qiu)面(mian)零件可以大(da)量地(di)(di)應用(yong)到各種光電(dian)成像(xiang)(xiang)系(xi)統(tong)中(zhong)。如飛機中(zhong)提(ti)供飛行信息(xi)的顯(xian)示(shi)系(xi)統(tong)；攝象機的取景(jing)器、變焦鏡(jing)(jing)頭；紅外(wai)廣角地(di)(di)平儀中(zhong)的鍺透鏡(jing)(jing)；錄(lu)像(xiang)(xiang)、錄(lu)音(yin)用(yong)顯(xian)微物鏡(jing)(jing)讀出頭；醫療診斷用(yong)的間接眼底鏡(jing)(jing)，內窺鏡(jing)(jing)，漸進鏡(jing)(jing)片等。
微(wei)結構光(guang)學元件(jian)應(ying)(ying)用(yong)更是廣(guang)泛，如光(guang)纖連接器(qi)中的(de)微(wei)槽結構，液(ye)晶顯示屏的(de)微(wei)透鏡陣列，及用(yong)于(yu)激(ji)光(guang)掃描的(de)F-theta鏡片，激(ji)光(guang)頭的(de)分(fen)光(guang)器(qi)等(deng)，這些微(wei)結構光(guang)學元件(jian)在(zai)很(hen)多我們(men)日常使用(yong)的(de)產品中都(dou)有(you)應(ying)(ying)用(yong)，比(bi)如手機、掌上電腦(nao)、CD和DVD等(deng)。
微光學元件加工方法
由于受應用需求的(de)(de)驅動，對微光(guang)(guang)學元件加(jia)(jia)工技(ji)(ji)術(shu)(shu)的(de)(de)研究(jiu)也在不斷深(shen)入，出現了多種現代加(jia)(jia)工技(ji)(ji)術(shu)(shu)，如(ru)電子束寫技(ji)(ji)術(shu)(shu)、激光(guang)(guang)束寫技(ji)(ji)術(shu)(shu)、光(guang)(guang)刻技(ji)(ji)術(shu)(shu)、蝕刻技(ji)(ji)術(shu)(shu)、LIGA技(ji)(ji)術(shu)(shu)，復制技(ji)(ji)術(shu)(shu)和鍍膜技(ji)(ji)術(shu)(shu)等(deng)，其中(zhong)最為成熟的(de)(de)技(ji)(ji)術(shu)(shu)是(shi)蝕刻技(ji)(ji)術(shu)(shu)和LIGA技(ji)(ji)術(shu)(shu)。
這(zhe)些技(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)基本都是(shi)從微電(dian)子(zi)元(yuan)器件(jian)的(de)微細加(jia)工(gong)技(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)發(fa)展(zhan)而來(lai)(lai)，但(dan)與電(dian)子(zi)原件(jian)不同，三(san)維成(cheng)型精(jing)度(du)和(he)(he)裝配精(jing)度(du)對光學元(yuan)件(jian)來(lai)(lai)說是(shi)至(zhi)關重要(yao)(yao)的(de)，將會(hui)直接影(ying)響(xiang)其性(xing)能(neng)，因此(ci)這(zhe)些方法(fa)各自都有它自身的(de)缺陷和(he)(he)使用的(de)局限(xian)性(xing)。如由于視場深(shen)(shen)度(du)的(de)限(xian)制，光刻(ke)技(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)僅限(xian)于二微結(jie)構(gou)和(he)(he)小深(shen)(shen)寬比三(san)維結(jie)構(gou)的(de)加(jia)工(gong)；采(cai)用犧牲層蝕刻(ke)技(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)，雖然可以實現準三(san)維加(jia)工(gong)，但(dan)易使材(cai)料產(chan)(chan)生內應力，影(ying)響(xiang)最終(zhong)的(de)機械(xie)性(xing)能(neng)，且設備造(zao)價非常(chang)昂貴；LIGA技(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)利(li)用的(de)高準直度(du)的(de)X射線光源(yuan)，一般(ban)要(yao)(yao)通過同步輻射加(jia)速器得(de)到，造(zao)價比光刻(ke)設備還(huan)要(yao)(yao)高許多(duo)，一般(ban)實驗室(shi)和(he)(he)企業都很難負擔得(de)起；電(dian)子(zi)束寫技(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)能(neng)夠(gou)加(jia)工(gong)納(na)米級(ji)的(de)精(jing)密結(jie)構(gou)，但(dan)效率低，難以進(jin)行(xing)批量生產(chan)(chan)。復制技(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)，包括(kuo)熱壓成(cheng)型法(fa)、模壓成(cheng)型法(fa)和(he)(he)注射成(cheng)型法(fa)等，是(shi)一種適(shi)于批量生產(chan)(chan)的(de)低成(cheng)本技(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)，但(dan)要(yao)(yao)求其模具(ju)具(ju)有較高精(jing)度(du)和(he)(he)耐用性(xing)。
微光學元件(jian)的另一加(jia)(jia)工方法是(shi)超(chao)精(jing)密(mi)(mi)機(ji)械加(jia)(jia)工技(ji)術。最近“財富”雜志上(shang)有這樣(yang)一句話(hua)(hua)：“超(chao)精(jing)密(mi)(mi)加(jia)(jia)工技(ji)術對光學元件(jian)的作用猶如(ru)當初集(ji)成電路對電子(zi)元件(jian)的作用”。這句話(hua)(hua)雖然不無夸張，卻說明了(le)用超(chao)精(jing)密(mi)(mi)機(ji)械加(jia)(jia)工技(ji)術進行(xing)微光學元件(jian)的加(jia)(jia)工已經(jing)引起人(ren)們極大的重視。