微光学研究及其应用

［论文题目］ 1摘耍： 1关键词： 1TheResearchAndApplicationOftheMicroOptics 1Abstract: 1Key words: 10前言 21微光学主耍内容 21」梯度折射率光学 21.2二元光学 32微光学器件 42.1阵列光学器件 52.2衍射光学器件 52.3三维集成光学器件 62.4自聚焦透镜 63微光机系统及其应用 73.1微光机电系统 73.2微光机电系统的特点 73.3微光机电系统精确控制方面的应用 83.4微光机电系统在军事领域和空间的应用 93.5微光机电系统的应用前景和展望 114微光学集成探测器 114.1微光学集成探测器原理 114.2结构设计 124.3微光学集成探测器展望 125微光学的加工方法 125.1光刻方法 125.2蚀亥IJ方法 135.3超精密机械加工技术 146结论 15参考文献 15微光学研究及其应用摘要：本文主要概括了微光学的主要内容以及应用现状和前景微光学技术是90年代发展起來的 光电前沿学科，是光电技术阵列化、微型化、智能化的主要发展方向由于微光学技术的迅速 发展，促进了微光学元件在实践中的应用，木文通过对阵列光学元件、衍射光学器件、三维集 成光学器件、自聚焦透镜的描述，介绍了微光学器件的研究、应用及加工方法。

微光学近代发 展方向有微光学与微机电结合成微系统以及微光学探测微光机电系统（MOEMS）是近儿年 在微机电系统（MEMS）中发展起來的一支极具活力的新技术系统，它是由微光学、微电了和 微机械相结合而产生的一种新型的微光学结构系统对于微型以及微弱探测，本文提出一•种微 光学集成探测器微光学将给传统光学、传统工业带來根本性的变化关键词：微光学微光学器件微光机电系统微光学集成探测The Research and Application of the Micro OpticsAbstract:This article mainly summarizes the major content of the Micro Optics as well as its current situation and prospect. The Micro Optics was developed into a forward subject of Optics in the 1990's and it has become the principal directions of anaying, micromation and intelligentization of the optics technology. The rapid development of the Micro Optics has stimulated the application of the ・ This article will introduce the research, application and manufacturing method of the micro optics device through the description of arrayed optics device, diffraction optics device, 3D integrated optics device and auto-focusing lens. The Micro Optics develops towards two direction, -the micro-system incorporated by the Micro -Optics and the micro mechanics and the Micro Optics Scanning. MOEMS is a very vigorous new type of the micro optics structure system with a few years' origin incorporated by the Micro Optics, the Micro Electronics and the Micro Mechanics・ And a new micro optics integrated scanner will be introduced in this paper in the aspect of micromation and micro scanning・ The micro optics will bring the fundamental changes to the traditional optics and industry.Key words:Micro Optics micro optics device moems micro optics integrated scanner0前言⑴近年来随着微电子学和光电子学的快速发展，微光学这一新的学科领域的研究 正在兴起。

微光学是研究一维、二维和三维的小型化光学器件和系统的一门高技术 它涉及到材料研制、设计、精细加工、器件集成以及用其实现光束发射、聚焦、准 直、偏折、分割、复合、开关、耦合、接收等功能和光纤传感、光学信息处理、成 像系统、光通信、光计算、光互连、光盘、光学神经网络和生物器件等应用领域 它与“微机械”、“微电子学”、“微加工”、材料科学、信息科学等学科相互渗透， 彼此融合，是现代光学研究前沿的一个重要分支这种“微工程”的兴起和发展对 -I—世纪的科学技术特别是信息传输工程将产生巨大的影响和推动微光学”一词是由日木电气公司内m桢二教授于1981年首先提出的，当时主 要指变折射率透镜和微透镜经过I-多年的发展，微光学已经形成了一个比较完整 的新学科，特别是1988年以来，发展非常活跃可以预测，今后儿年，特别是二 十一世纪，将是微光学具冇重大发展和广泛应用的时期随着微光学研究的继续深入，光学元器件的微型化、阵列化、集成化、光学系 统和光电子学系统的信息容量和处理能力将会大幅度增加，同时系统的稳定性、耐 用性、实用性增强，而11成本不断降低这一宏大的“微工程”的兴起和发展，必 将产生巨大的经济效益和社会效益，同吋具有浓厚的军事应用背景。

微光学主要内容微光学是研究微米、纳米级尺寸的光学元器件的设计、制作工艺及利用这类元 器件实现光波的发射、传输、变换及接收的理论和技术的新学科微光学”当丽 主要冇两大类：即梯度折射率光学，F1本人按其工作性质比较形象的称为自聚焦透 镜，它是基于光的折射，反射原理制作的光学元件，主要包括微透镜和阵列；另一 类主要是基于衍射原理的二元光学1.1梯度折射率光学⑴1.1.1梯度折射率光学的描述以1954年开始就有梯度折射率光学棒透镜的描述，直到1969年，利用离子交 换技术研制成功梯度折射率材料，梯度折射率光学才真止步入实际应用研究这类 光学元件是利用物理的或化学的方法使光学材料（玻璃，晶体，半导体，聚合物等） 的折射率沿元件的径向，轴向或卅面方向逐渐变化，形成相应的折射率梯度分布， 由此达到光线的偏折1.1.2梯度折射率光学的加工方法梯度折射率光学是微光学研究的先导和基础，一直受到重视自从1969年冇离 了交换法制成了口聚焦透镜以来，相继发展了离了填充法，晶体生长法，离了束辐 照法，化学或物理气相沉积法、热扩散光墩共聚焦法等技术采用以上工艺制作的 微透镜尺寸小、数值孔径大、焦距短光学元件的微型化，进而阵列化，微光学微型化的发展可以提高信息的传输效 率，提高光学元件的灵敏度。

微光学阵列器件的出现促进了微光学应用的迅速发展、 而阵列器件的发展乂在很大程度上依赖于“微加工”技术微光学与微电子工艺结 合在一起，为大规模集成光学的发展提供了可能1.2二元光学⑴［2］⑷二元光学是基于光波衍射理论发展起來的一个新兴光学分支，是光学与微电子 技术相互渗透、交叉而形成的前沿学科基于计算机辅助设计和微米级加工技术制 成的平面浮雕型二元光学器件具有重量轻、易复制、造价低等特点，并能实现传统 光学难以完成的微小、阵列、集成及任意波面变换等新功能，从而使光学工程与技 术在诸如空间技术、激光加工、计算技术与信息处理、光纤通信及生物医学等现代 国防科技与工业的众多领域中显示出前所未有的重要作用及广阔的应用前景1.2.1二元光学内容二兀光学元(器)件因其在实现光波变换上所具有的许多卓越的、传统光学难以 具备的功能，而冇利于促进光学系统实现微型化、阵列化和集成化，开辟了光学领 域的新视野关于二元光学概念的准确定义，至今光学界述没有统一的看法，但普 遍认为，二元光学是指基于光波的衍射理论，利用计算机辅助设计，并用超大规模 集成(VLSI)电路制作工艺，在片基上(或传统光学器件表面)刻蚀产生两个或多个台 阶深度的浮雕结构，形成纯相位、同轴再现、具有极高衍射效率的一类衍射光学元 件。

它是光学与微电子学相互渗透与交叉的前沿学科二元光学不仅在变革常规光 学元件，变革传 统光学技术上具有创新意义，而且能够实现传统光学许多难以达 到的目的和功能，因而被誉为“90年代的光学雹它的出现将给传统光学设计理论及 加工工艺带来一次革命二元光学元件源于全息光学元件(HOE)特别是计算全息元 件(CGH)o可以认为相息图就是早期的二元光学元件但是全息元件效率低，口离 轴再现；相息图虽同轴再现但工艺长期未能解决，因此进展缓慢、实用受限二 兀光学技术则同时解决了衍射元件的效率和加工问题它以多阶相位结构近似相息 图的连续浮雕结构二元光学是微光学中的一个重要分支1.2.2二元光学的特点⑶二元光学能获得如此迅速的发展，除由于具有体积小、重量轻、容易复制等显 而易见的优点外，还由于具有如下许多独特的功能和特点：(1) 高衍射效率高衍射效率：二元光学元件是一-种纯相位衍射光学元件，为得到高衍射效率， 可做成多相位阶数的浮雕结构一般使用N块模版可得到L( = 2N)个相位阶数， 当L=2、4、8和16时,分别有U=40.5%、81%、94.9%和98.6%利用亚波长 微结构及连续相位面形，可达到接近100%的效率。

有如此高的衍射效率，对于光 信息传输将有重要的意义2) 独特的色散性能在一般情况下，二元光学元件多在单色光下使用但正因它是一个色散元件， 具有不同于常规元件的色散特性，故可在折射光学系统中同时校止球弄与色弄，构 成混合光学系统，以常规折射元件的曲面提供大部分的聚焦功能，再利用表面上的 浮雕和位波带结构校止像差这一方法已用于新的非球面设计和温度补偿等技术 中3） 更多的设计自由度在传统的折射光学系统或镜头设计中只能通过改变曲而的曲率或使用不同的光 学材料校正像差，而在二元光学元件中，则可通过波带片的位置、槽宽与槽深及 槽形结构的改变产生任意波面，大大增加了设计变量，从而能设计出许多传统光学 所不能的全新功能光学元件，这是对光学设计的一次新的变革4） 宽广的材料可选性二元光学元件是将二元浮雕面形转移至玻璃、电介质或金属基底上，可用材料 范围大；此外，在光电系统材料的选取中，一些红外材料如ZnSe和Si等，市于它 们有一些不理想的光学特性，故经常被限制使用，而二元光学技术则可利用它们 并在相当宽广的波段作到消色差；另外，在远紫外应用中，可使有用的光学成像波 段展宽1000倍5） 特殊的光学功能二元光学元件可产生一•般传统光学元件所不能实现的光学波面，如非球面、环 状面、锥面和镯面等，并可集成得到多功能元件；使用亚波长结构还可得到宽带、 大视场、消反射和偏振等特性；此外，二元光学在。