微光学 Micro-optics

2022-11-09 10:42:06 浏览:1321

定义

处理特别小光学元件的光学领域。

微光学(或微光学)是处理特别小的光学元件的光学领域。 小的物理尺寸对制造技术、可用的光学材料、相关的物理效应、性能限制和实际处理具有各种影响。 本文旨在概述这些方面。

微光学元件的制造

一些微型光学元件基本上以与传统大型光学元件类似的方式制造。 例如,各种类型的光学透镜,棱镜,反射镜,分束器,孔径,扩散器,衍射光栅等都是用相当小的尺寸制成的,例如2毫米,然后可以被认为是微光学器件。 (此区域没有普遍同意的尺寸限制。 一个常见的应用领域是激光二极管,其中需要小光束准直器透镜。

另一方面,特别是亚毫米尺寸的光学元件通常采用完全不同的制造技术制成。 这些主要起源于微电子和光电子等领域,并且通常涉及基于晶圆的制造。 大部分技术来自光学数据传输领域。 例如,光电芯片可能包含微型激光器和微型光电探测器,这就需要调节入射和出射光辐射(光,通常包括红外光)。 具体的例子是用于激光和微小透镜的光束准直器,以获得光电探测器的改进和更具方向性的灵敏度,或与光纤的有效耦合。

在光电芯片上生产微透镜的常用技术是光刻胶回流焊。 在这里,首先将光刻胶材料沉积在典型的圆形区域上,其直径很小,例如几十微米。 随后,将整个设备加热到使光刻胶熔化的温度。 由于表面张力,它随后获得了具有近似球面曲率的明确定义的透镜表面。

许多微光学元件是大型设备不可分割的部件。

需要注意的是,这种镜头并不是单独使用的光学元件,而是成为一些较大设备不可分割的一部分。 这是微光学的一个典型方面:大多数微光学元件不是单独制造和销售的,而是作为一些较大的光学微系统的部件制造的,通常包含多个组件。 这些可以与微机电系统(MEMS)结合使用,从而形成微光电机械系统(MOEMS或光学MEMS),它结合了光学,电子和机械方面。

光刻胶回流焊只是众多可能的制造技术之一。 还有各种复制技术,这些技术部分也以类似的形式用于更大的光学元件。 在这里,人们首先制造一个主结构,然后使用注塑、热压花或 UV 铸造等技术将其用于微光学元件的批量生产。

另一种可能性是微接触印刷,也称为软光刻。 它基于光刻技术在光学透明材料上的应用。 表面张力现象再次可用于获得光滑的曲面。

在需要特别高灵活性的情况下,直接激光写入技术也可以提供有趣的解决方案。

微光学元件通常以阵列的形式生产。

许多应用技术特别适用于大型一维或二维阵列形式的微光学元件的批量生产。 例如,有微透镜阵列用于准直来自许多小型光发射器的光,或用于Shack-Hartmann波前传感器。

在某些情况下,单个微透镜被施加到其他部件上,例如光纤末端、单个激光发射器或单个光电二极管。 例如,可以通过专门的基于激光的工艺来完成。

光学材料

在某种程度上,微光学依赖于传统的光学材料,如光学玻璃和聚合物。 然而,如上所述的制造技术通常有利于其他更适合该背景的材料。 一些例子:

  • 光刻胶回流焊显然不能应用于传统的硬质光学材料。
  • 对于红外应用,人们还经常使用半导体,对于低于带隙能量的光子能量是透明的,并且可以使用成熟的基于晶圆的光刻技术进行处理。
  • 一些设备基于透明液体,例如用于实现可调流体微透镜。

后一个例子表明,其中一些材料几乎不能用于大型光学器件。

操作原理

许多微光学器件利用与大型光学元件完全相同的物理光学基础,例如光的折射或反射。 然而,在这里,小尺寸通常会通过衍射引入严重的性能限制。 这对于成像应用尤其重要。 作为一种非常基本、不可避免的效应,衍射而不是由于非理想表面形状引起的光学像差通常会设定性能极限。

衍射光学原理在微光学领域很重要。

然而,在其他情况下,衍射被用作基本工作原理。 例如,有基于浮雕结构的纯衍射透镜,让人联想到菲涅耳透镜,但在固有的强波长依赖性焦距方面与那些有很大不同。 这种方法通常不用于宏观光学。

有关更多详细信息,请参阅有关衍射光学器件的文章。

微镜的工作原理与大镜子基本相同;它们通常具有金属或介电多层结构的反射涂层。 然而,它们是用其他技术制成的,例如光刻,并且通常与某些类型的微型致动器结合使用,这允许人们在操作过程中微调其方向或切换其位置。 例如,一些微镜阵列用于微型显示器。

微光学元件与执行器的集成

如上所述,许多微光学元件与微型致动器相结合,以获得额外的功能,如切换或连续调整光学功能。 虽然该原理也用于大型光学器件,例如变焦物镜,但对于微光学器件尤其实用:

微光学器件特别适合与执行器集成。

  • 所需的运动范围通常非常小。 这允许使用非常简单类型的执行器。
  • 如有必要,可以通过反馈技术大大提高有效精度,这些技术也可以在同一芯片上实现。
  • 由于体积和质量小,行程范围小,运动速度非常快。 这对于某些应用程序至关重要(见下文)。
  • 与大型可移动光学器件相比,成本可能非常低,因为所需的致动器可以以经济的方式制造,其中许多致动器可以并行处理。

微光学表征

对于微光学的测试和表征,需要应用适应的技术,因为经典大光学的技术通常不适用。 通常,此类技术需要结合所使用的制造系统进行定制开发。 例如,需要检查设备,这些设备随后可以研究在公共晶圆上一起制造的大量设备。

微光学的典型应用

微光学广泛应用于电信、照明、激光技术和生物医学设备等应用领域。 下面简要说明所用设备的一些典型用途。

光束准直和聚焦

微透镜可用于准直来自微小光发射器的光,微透镜阵列自然适用于发射器阵列的应用。 例如,这种光发射器可以是二极管条(广域发射器的一维阵列)、VCSEL阵列或光子集成电路上的波导阵列的一部分。

同样,入射光可以用微透镜聚焦。 这用于Shack-Hartmann波前传感器,如上所述,作为微透镜阵列的应用。

微光学器件也可用于定制校正与理想参数的偏差。 例如,某些设备用于校正激光二极管阵列(二极管条)的“微笑”,以实现最大辐射(亮度)。 更复杂的器件用于高功率半导体激光管的光纤耦合。

显示

基于数字微镜器件可以实现非常紧凑的显示器。 DMD芯片可能包含超过一百万个微镜,每个微镜都可以由连接的电子设备单独寻址,并负责投影图像的一个像素,或一个像素的一个颜色分量。 控制是二进制的,即某个图像点只能打开或关闭,但实际上可以通过在打开和关闭之间快速切换来获得灰度值,人眼无法解析太快。

微光学器件也可用于实现液晶显示器的均匀背景照明。

照明

各种类型的照明,例如发光二极管(LED),也可以通过使用微光学元件来定制空间发光。 白光(和其他)LED中的光提取优化(这是达到高发光效率的基石之一)也可以被视为微光学的应用。

数据多路复用和交换

在光纤通信中,人们经常要处理大量的数据通道。 例如,可以使用波分复用,其中不同的数据通道对应于具有不同中心波长的光信号。 然后可能需要分离从单个光纤出现的这些通道,以便在将信号发送到另一根光纤之前提取其中一些并注入其他通道。 为此,已经开发了微光学器件。 例如,它们可能涉及可移动微镜阵列,每个通道有一个镜子。 这些发展在启动和推动微光学领域方面发挥了重要作用。

参数调整

对于微小波长可调谐激光器,例如作为外腔二极管激光器制造,需要紧凑的调谐元件,这可以通过包含致动器的微光学器件来实现。

在其他情况下,可能需要调整参数,例如带有可移动微镜的干涉仪中的光程长度,或通过可变尺寸的微小孔径传输光。

液体微光学器件,通常以可调透镜的形式,越来越多地用于这些领域。

成本结构

微光学器件的制造、测试和表征通常需要复杂的机械,这些机械通常需要根据要制造的特定设备进行定制。 开发、建造和操作这种机器的成本通常相当高。

另一方面,器件吞吐量可以非常高,因此大量生产的微光学元件可以具有相当低的每器件成本。 例如,这导致了适用于消费产品的紧凑型显示器,这是一个成本压力非常高的领域。 人们可能会得出结论,微光学器件特别适用于大众产品,而对于小批量产品则不太合适。 然而,在后一个领域,开发了灵活的基于激光的制造技术,该技术可以经济地用于中等产量。

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