1微光學(xué)概述

　　1.1定義與名稱

　　微光學(xué)是一門屬于多門前沿學(xué)科交叉領(lǐng)域的新興科學(xué)宵渡。微光學(xué)借助于微電子工業(yè)技術(shù)的最新研究成果衰抑，是國(guó)際上最前沿研究方向之一匙监，并具有廣泛的應(yīng)用前途新荤。微光學(xué)元件(MOC)揽趾，指面形精度可達(dá)亞微米級(jí)，表面粗糙度可達(dá)納米級(jí)的自由光學(xué)曲面及微結(jié)構(gòu)光學(xué)元件苛骨。自由光學(xué)曲面包括有回轉(zhuǎn)軸的回轉(zhuǎn)非球面(如拋物面篱瞎、漸開面等)，和沒有任何對(duì)稱軸的非回轉(zhuǎn)非球面痒芝，如Zernike像差方程曲面遥局。微結(jié)構(gòu)是指具有特定功能的微小表面拓?fù)湫螤睿绨疾鄹鼐⑽⑼哥R陣列等莽烫，如圖1所示(圖1略)的微金字塔結(jié)構(gòu)表面。這些結(jié)構(gòu)決定了對(duì)光線的反射炬山，透射或衍射性能魄蔗，便于光學(xué)設(shè)計(jì)者優(yōu)化光學(xué)系統(tǒng)，減輕重量刹讹，縮小體積肆洽。典型微光學(xué)元件如全息透鏡、衍射光學(xué)元件(DOE)和梯度折射率透鏡等职予，將這些微光學(xué)元件應(yīng)用在各種光電子儀器中社咒，可以使光電子儀器及其零部件更加小型化、陣列化和集成化螺煞。

　　1.2微光學(xué)元件的應(yīng)用

　　微光學(xué)元件是制造小型光電子系統(tǒng)的關(guān)鍵元件位俩，它具有體積小、質(zhì)量輕碳胳、造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)勇蝙，并且能夠?qū)崿F(xiàn)普通光學(xué)元件難以實(shí)現(xiàn)的微小、陣列挨约、集成味混、成像和波面轉(zhuǎn)換等新功能。隨著系統(tǒng)小型化不斷的成為一種趨勢(shì)诫惭，幾乎在所有的工程應(yīng)用領(lǐng)域中翁锡，無論是現(xiàn)代國(guó)防科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域蔓挖，還是普通的工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用前景。軍用方面馆衔，西方國(guó)家在70年代以后研制和生產(chǎn)的軍用光電系統(tǒng)瘟判，如軍用激光裝置、熱成像裝置角溃、微光夜視頭盔拷获、紅外掃描裝置、導(dǎo)彈引導(dǎo)頭和各種變焦鏡頭减细，均已在不同程度上采用了非球面光學(xué)零件匆瓜。在一般民用光電系統(tǒng)方面，自由非球面零件可以大量地應(yīng)用到各種光電成像系統(tǒng)中常籍。如飛機(jī)中提供飛行信息的顯示系統(tǒng)；攝像機(jī)的取景器闰妓、變焦鏡頭锨圣；紅外廣角地平儀中的鍺透鏡；錄像过腰、錄音用顯微物鏡讀出頭骗采；醫(yī)療診斷用的間接眼底鏡，內(nèi)窺鏡橄看，漸進(jìn)鏡片等词趾。微結(jié)構(gòu)光學(xué)元件應(yīng)用更是廣泛，如光纖連接器中的微槽結(jié)構(gòu)硅跌，液晶顯示屏的微透鏡陣列审陌，及用于激光掃描的F-theta鏡片，激光頭的分光器等闲涕，這些微結(jié)構(gòu)光學(xué)元件在很多我們?nèi)粘Ｊ褂玫漠a(chǎn)品中都有應(yīng)用疤格，比如手機(jī)、掌上電腦剖毯、CD和DVD等圾笨。

　　1.3微光學(xué)元件加工方法

　　由于受應(yīng)用需求的驅(qū)動(dòng)，對(duì)微光學(xué)元件加工技術(shù)的研究也在不斷深入逊谋，出現(xiàn)了多種現(xiàn)代加工技術(shù)擂达，如電子束寫技術(shù)、激光束寫技術(shù)胶滋、光刻技術(shù)板鬓、蝕刻技術(shù)、LIGA技術(shù)究恤，復(fù)制技術(shù)和鍍膜技術(shù)等穗熬，其中最為成熟的技術(shù)是蝕刻技術(shù)和LIGA技術(shù)镀迂。這些技術(shù)基本都是從微電子元器件的微細(xì)加工技術(shù)發(fā)展而來，但與電子原件不同唤蔗，三維成型精度和裝配精度對(duì)光學(xué)元件來說是至關(guān)重要的探遵，將會(huì)直接影響其性能，因此這些方法各自都有它自身的缺陷和使用的局限性妓柜。如由于視場(chǎng)深度的限制箱季，光刻技術(shù)僅限于二微結(jié)構(gòu)和小深寬比三維結(jié)構(gòu)的加工；采用犧牲層蝕刻技術(shù)寸纠，雖然可以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)三維加工雳雄，但易使材料產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，影響最終的機(jī)械性能帮课，且設(shè)備造價(jià)非常昂貴匙久；LIGA技術(shù)利用的高準(zhǔn)直度的X射線光源，一般要通過同步輻射加速器得到八泡，造價(jià)比光刻設(shè)備還要高許多趾马，一般實(shí)驗(yàn)室和企業(yè)都很難負(fù)擔(dān)得起；電子束寫技術(shù)能夠加工納米級(jí)的精密結(jié)構(gòu)锚揍，但效率低毁察，難以進(jìn)行批量生產(chǎn)。復(fù)制技術(shù)防养，包括熱壓成型法尚染、模壓成型法和注射成型法等，是一種適于批量生產(chǎn)的低成本技術(shù)按辱，但要求其模具具有較高精度和耐用性逗柴。

　　微光學(xué)元件的另一加工方法是超精密機(jī)械加工技術(shù)。最近“財(cái)富”雜志上有這樣一句話：“超精密加工技術(shù)對(duì)光學(xué)元件的作用猶如當(dāng)初集成電路對(duì)電子元件的作用”顿肺。這句話雖然不無夸張嚎于，卻說明了用超精密機(jī)械加工技術(shù)進(jìn)行微光學(xué)元件的加工已經(jīng)引起人們極大的重視。超精密機(jī)械加工技術(shù)在微光學(xué)元件加工中的應(yīng)用將在下一節(jié)詳細(xì)論述挟冠。

　　2超精密機(jī)械加工技術(shù)在微光學(xué)元件加工中的應(yīng)用

　　超精密機(jī)械加工技術(shù)是利用刀具改變材料形狀或破壞材料表層于购，以切削形式來達(dá)到所要求的形狀。如單晶金剛石車削與銑削知染、磨削肋僧、快速切削和機(jī)械拋光等。本節(jié)主要講述超精密機(jī)械加工技術(shù)用于加工光學(xué)元件及其模具控淡。

　　2.1超精密機(jī)床關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展

　　計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)嫌吠，尤其是有限元分析技術(shù)的發(fā)展，為超精密機(jī)床整體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了便利手段掺炭，使得機(jī)床剛度和穩(wěn)定性不斷提高辫诅。目前單晶金剛石車床的典型結(jié)構(gòu)具有“T”型布局結(jié)構(gòu)凭戴，主軸一般裝在X向?qū)к壣希毒哐b在Z向?qū)к壣峡话Ｔ诮畮啄陜?nèi)逆酣，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，超精密機(jī)床的一些關(guān)鍵技術(shù)堡它，如控制技術(shù)殖锹、反饋系統(tǒng)、伺服驅(qū)動(dòng)裝置等方面有了很大的進(jìn)步衍醒，提高了超精密機(jī)床的加工精度席磕，目前，超精密已能夠直接加工出粗糙度達(dá)1nm的表面父驮。這些關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展概括起來有以下幾個(gè)方面：用天然花崗巖作機(jī)床床身照窥，它具有非常高的熱穩(wěn)定性和機(jī)械穩(wěn)定性；利用空氣彈簧系統(tǒng)隔振涎瓜；利用液體或氣體靜壓導(dǎo)軌羹李，使阻尼增大，運(yùn)動(dòng)光滑孽倒，無摩擦堆因；直流直線電機(jī)快速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)泪桥，具有較好的動(dòng)態(tài)剛度救鲤；高速空氣主軸，承載能力高秩冈，剛度大本缠，可提高加工精度；開放式計(jì)算機(jī)數(shù)控技術(shù)(CNC)入问，便于應(yīng)用第三方控制軟件丹锹，提高加工精度；高分辨率檢測(cè)裝置芬失，可以提供精確的位置反饋楣黍；利用快速伺服機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)多軸系統(tǒng)的宏微結(jié)合技術(shù)棱烂，用以加工復(fù)雜型面租漂；在線測(cè)量和誤差補(bǔ)償技術(shù)，正確測(cè)量工件殘余誤差并最終消除誤差颊糜。

　　2.2應(yīng)用實(shí)例

　　電子技術(shù)及光學(xué)技術(shù)的發(fā)展哩治，大大促進(jìn)了自由非球面及其他非傳統(tǒng)幾何形狀微結(jié)構(gòu)光學(xué)元件的應(yīng)用。一些光學(xué)設(shè)計(jì)軟件的出現(xiàn)衬鱼，使得光學(xué)設(shè)計(jì)者可以方便地對(duì)光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行性能優(yōu)化扫矾，但這同時(shí)也會(huì)使得光學(xué)元件變得復(fù)雜酿萄，這就要求微光學(xué)元件制造技術(shù)能夠勝任加工出這些復(fù)雜的光學(xué)元件。對(duì)微光學(xué)元件設(shè)計(jì)者和制造者來說勘浇，單晶金剛石超精密加工技術(shù)具有很多優(yōu)勢(shì)争峭，比如，能夠加工真正的三維結(jié)構(gòu)怒央；加工零件的成形精度達(dá)亞微米級(jí)烤眉；表面粗糙度達(dá)Ra值5nm，有些材料甚至可以達(dá)到1nm项请；能夠加工大深寬比的結(jié)構(gòu)等烦盛。因此，在過去十幾年內(nèi)肚轴，超精密加工技術(shù)在微光學(xué)元件加工中的應(yīng)用實(shí)例也在逐漸增多紧邑。如單晶金剛石超精密加工技術(shù)已成功應(yīng)用于隱形眼鏡、棱鏡稠还、非球面透鏡伞缺、微透鏡陣列、金字塔微結(jié)構(gòu)表面叁丧、減反射光柵等結(jié)構(gòu)的加工啤誊。雖然超精密加工技術(shù)對(duì)某些結(jié)構(gòu)光學(xué)元件的加工具有很多優(yōu)點(diǎn)，但將超精密加工技術(shù)與復(fù)制成型技術(shù)結(jié)合起來或許是加工微光學(xué)元件最有效的方式拥娄，即用超精密加工技術(shù)來加工復(fù)制模具蚊锹，然后利用該模具制作出微光學(xué)元件。用單晶金剛石車床加工光學(xué)元件模具稚瘾，需要注意選擇合適的加工參數(shù)牡昆，以減小毛刺，降低模具的誤差摊欠，另外要能加工出合適的金剛石刀具丢烘。用金剛石車床加工的模具來制作的菲涅爾透鏡用于高架投影儀已獲得巨大成功。

　　3總結(jié)

　　微光學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展些椒，對(duì)微光學(xué)元件制造技術(shù)提出了更高的要求播瞳，超精密機(jī)械加工技術(shù)，經(jīng)過最近十多年來的快速發(fā)展免糕，具有很多傳統(tǒng)光學(xué)制造技術(shù)赢乓，如光刻技術(shù)和LIGA技術(shù)等所不具有的優(yōu)勢(shì)：①能加工真正的三維結(jié)構(gòu)，且精度達(dá)納米級(jí)用六；②能在模具上加工浮動(dòng)對(duì)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)近振；③能在同一元件上加工出不同深寬比的結(jié)構(gòu)。在微光學(xué)制造領(lǐng)域，很多類似產(chǎn)品卻是由很多不同方法加工而成的暴遂，這說明了微光學(xué)制造技術(shù)的不成熟性暂呈，盡管超精密機(jī)械加工技術(shù)在微光學(xué)元件及其模具加工中的應(yīng)用具有很多的優(yōu)點(diǎn)，但也仍是處于初步發(fā)展階段粘伊。因此辜辰，超精密加工技術(shù)還具有很大的發(fā)展?jié)摿ΑＮ覀兿嘈呕菀恚芗庸ぜ夹g(shù)與復(fù)制成型技術(shù)結(jié)合束敦，必將會(huì)推動(dòng)微光學(xué)及其集成技術(shù)的大力發(fā)展。

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