超精密機(jī)械加工技術(shù)在微光學(xué)元件制造中的應(yīng)用

1 微光學(xué)概述
1.1 定義與名稱
微光學(xué)是一門(mén)屬于多門(mén)前沿學(xué)科交叉領(lǐng)域的新興科學(xué)。微光學(xué)借助于微電子工業(yè)技術(shù)的最新研究成果，是國(guó)際上最前沿研究方向之一，并具有廣泛的應(yīng)用前途。微光學(xué)元件（MOC），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。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、漸開(kāi)面等），和沒(méi)有任何對(duì)稱軸的非回轉(zhuǎn)非球面，如Zernike 像差方程曲面。微結(jié)構(gòu)是指具有特定功能的微小表面拓?fù)湫螤�，如凹槽、微透鏡陣列等的微金字塔結(jié)構(gòu)表面。這些結(jié)構(gòu)決定了對(duì)光線的反射，透射或衍射性能，便于光學(xué)設(shè)計(jì)者優(yōu)化光學(xué)系統(tǒng)，減輕重量，縮小體積。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，將這些微光學(xué)元件應(yīng)用在各種光電子儀器中，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。
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，它具有體積小、質(zhì)量輕、造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，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、集成、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)，幾乎在所有的工程應(yīng)用領(lǐng)域中，無(wú)論是現(xiàn)代國(guó)防科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，還是普通的工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用前景。軍用方面，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)，如軍用激光裝置、熱成像裝置、微光夜視頭盔、紅外掃描裝置、導(dǎo)彈引導(dǎo)頭和各種變焦鏡頭，均已在不同程度上采用了非球面光學(xué)零件。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。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、變焦鏡頭；紅外廣角地平儀中的鍺透鏡；錄像、錄音用顯微物鏡讀出頭；醫(yī)療診斷用的間接眼底鏡，內(nèi)窺鏡，漸進(jìn)鏡片等。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)，液晶顯示屏的微透鏡陣列，及用于激光掃描的F-theta 鏡片，激光頭的分光器等，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，比如手機(jī)、掌上電腦、CD 和DVD 等。
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，出現(xiàn)了多種現(xiàn)代加工技術(shù)，如電子束寫(xiě)技術(shù)、激光束寫(xiě)技術(shù)、光刻技術(shù)、蝕刻技術(shù)、LIGA 技術(shù)，復(fù)制技術(shù)和鍍膜技術(shù)等，其中最為成熟的技術(shù)是蝕刻技術(shù)和LIGA 技術(shù)。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(lái)，但與電子原件不同，三維成型精度和裝配精度對(duì)光學(xué)元件來(lái)說(shuō)是至關(guān)重要的，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。如由于視場(chǎng)深度的限制，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)，雖然可以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)三維加工，但易使材料產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，影響最終的機(jī)械性能，且設(shè)備造價(jià)非常昂貴；LIGA 技術(shù)利用的高準(zhǔn)直度的X 射線光源，一般要通過(guò)同步輻射加速器得到，造價(jià)比光刻設(shè)備還要高許多，一般實(shí)驗(yàn)室和企業(yè)都很難負(fù)擔(dān)得起；電子束寫(xiě)技術(shù)能夠加工納米級(jí)的精密結(jié)構(gòu)，但效率低，難以進(jìn)行批量生產(chǎn)。復(fù)制技術(shù)，包括熱壓成型法、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)，但要求其模具具有較高精度和耐用性。
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”。這句話雖然不無(wú)夸張，卻說(shuō)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。 
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，以切削形式來(lái)達(dá)到所要求的形狀。如單晶金剛石車削與銑削、磨削、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。 光行天下：opticsky.net
2.1 超精密機(jī)床關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展