微光学

微光学
0 引言
近几年来随着微电子学（Micro-Electronics）和光电子学（Optoelectronics）的快速发展，微光学（Micro-Optics）这一新的学科领域的研究正在兴起。

微光学是研究一维、两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研究领域。

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。

早在100多年前，微光学的一些基础理论，如衍射光学，就已为人所知，但制作工艺并没有跟着突破，因此，一直没有得到应用。

直到20世纪60年代激光的出现，情况才有所改观，其中激光全息技术就是一种微技术。

但全息法制作出的衍射器件，衍射效率仅为60%，影响了应用。

到了20世纪80年代，由于大规模集成电路（LSI）微细加工技术的出现和趋于成熟并开始应用于光学，出现了微结构光学器件。

随着光学工业向微型化发展以及微电子及计算机技术的飞速发展，微光学从理论设计开始向实际器件转化。

到80年代后期，微光学领域发展迅速，代表成果是二元光学（Binary Optics）的提出。

二元光学首先是由美国麻省理工学院（MIT）林肯实验室的W.B. Veldkamp 于1989年提出的。

二元光学是以二阶或多台阶的表面微结构来实现光波位相变换，以衍射光学方式对波前复振幅分布产生作用。

二元光学元件（Binary Optical Element, BOE）的表面微结构尺寸已在波长量级，可采用二维微加工工艺来制造，从而获得高精度和高衍射效率。

二元光学的突破主要有两点：首先在理论上是以二进制台阶微结构（binary microstructure）调制波前复振幅分布用于成像，获得非球面自由度和像差波前改正；其次是微细工艺制作光学零件，获得高精度、高效率、低成本的光学工艺的不断发展，各种新原理、新概念、新技术在微光学领域得到了迅速发展，微光学器件的应用领域不断扩大，起着传统光学不能替代的作用，如光波通讯、光计算、
光互连、光电探测阵列、红外成像、光束成形、光束控制、光显示以及空间与军事领域都有许多新的应用。

微光学元件按光的传播方式可分为衍射型微结构与折射型微结构两大类，其中二元光学元件是衍射型微结构，而微透镜阵列（Micro Lens Array, MLA）是折射型微结构。

微光学元件按设计方法分为衍射法和光线追迹法，如波带法、G-S 算法、遗传算法、杨-顾算法等。

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地增加，同时系统的稳定性、耐用性、实用性增强，而且成本不断降低。

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，同时具有浓厚的军事应用背景。

1光学微细加工技术
光学微细加工技术简单地可以分为光刻技术与刻蚀技术。

光刻就是将设计的掩模图形无偏差地转移到基片表面上，图1-1所示是光刻的工艺过程:匀胶、曝光。

匀胶是在待微加工的基底上均匀地涂覆一层光致抗蚀剂（光刻胶），曝光是将加工的掩模（mask）覆盖其上方，用紫外光照射（曝光），最后将曝光过的基片在显影液中显影，完成微结构在光刻胶上的图形转移。

光刻技术包括光学光刻、电子束光刻、X射线光刻等。

刻蚀是将已通过光刻的图形作掩蔽，无偏差并具有需求深度地转移到基底材料上，刻蚀技术包括湿法刻蚀、干法刻蚀，目前还发展有无掩模微细加工，如聚焦离子束技术等。

UV light
图1-1 光刻的一般步骤
1.1 光刻技术
接触式光刻是传统的光刻方式，是将掩模直接和涂有光致抗蚀剂的基片表面
接触，通过抽真空的方法调节接触压力，用波长300～450nm 的紫外光源进行曝光。

接触式光刻具有高分辨率、设备简单、操作方便和成本低等优点，缺点是因机械接触容易损伤掩模。

此外，由于光的衍射效应，要进一步提高分辨率和对准精度有困难。

抗蚀剂 基底 (a)接触式光刻
(b)接近式光刻
图1-2 光学光刻分类 接近式光刻是掩模和片基表面之间保持微小的距离（5～50μm ），如图1-1所示，利用高度平行光束进行曝光。

这种曝光方式可以避免玷污和损伤掩模，但衍射效应影响分辨率。

当曝光的特征线宽小到与光波的波长相近时，则光通过掩模窗口产生的衍射效应将成为提高光刻分辨率的主要限制因素，同时光在基片表面台阶上的散射及光在基片与掩模间的多次反射都将导致光致抗蚀剂曝光图形吸收能量的分布横向扩展，而垂直反射光与入射光相干涉在抗蚀剂层内产生的驻波效应也将造成纵向曝光的不均匀。

图1-2(a)所示为接触式光刻，图1-2(b)所示为接近式光刻。

扫描式电子束曝光是指用细电子束在基片表面的EBR 胶上进行直接照射扫描。

电子枪热阴极产生电子，经栅极控制，形成定向发射的电子束，在阳极高电压的作用下加速，使电子获得很高的能量。

聚焦是由设在系统中的电磁透镜来完成的。

系统中还设有电子束通断和偏转扫描的装置，它们都由计算机提供的脉冲调制信号进行控制。

这种方式不需要掩模板，只要给出图形各部分的坐标值，并转变成相应的电信号储存在计算机中，然后通过扫描，系统和通断装置控制电子束完成对图形的曝光。

投影式电子束曝光就是从特殊掩模获得的电子束图像在EBR 上进行成像照射。

它又可分为摄像管式和透射电子成像式。

摄像管式电子束投影曝光是利用光电子发射材料制备的特殊掩模，通过紫外光激励产生光电子图像，并被电场加速，对与掩模平行而贴近的基片进行曝光。

透射电子成像式是从电子枪发射的电子经过三级电磁透镜后，变为一平行面电子束投射到金属箔掩模板上，版上图形有许
多能使电子束透过的微小圆形孔洞所组成。

离子束曝光是在真空条件下将氩（Ar）、氪（Kr）、氙（Xe）等惰性气体通过离子源产生离子束，经加速、集束、聚焦后对光致抗蚀剂曝光。

1.2 蚀刻技术
1.2.1 离子束蚀刻
（1）离子束蚀刻（Ion Beam Etching, IBE）
IBE是利用方向性极好的宽束等离子体轰击材料表面，这与离子的物理溅射效应不同。

溅射是使表面疏松的结构变得致密；而IBE蚀刻是使表面剥离，保证蚀刻过程有高度各向异性，获得高分辨和大深宽比的微细图形。

由于IBE的离子能量、束流密度、离子入射条件都可在大范围内独立控制，且不受材料种类限制，可防止蚀刻损伤，因此，是微细加工工艺干法蚀刻中比较灵活而有效的方法，比等离子体蚀刻（KE）、反应离子蚀刻（RIE）更有有点。

（2）反应离子束蚀刻（Reactive Ion Beam Etching, RIBE）
将化学反应与离子束蚀刻结合就形成了RIBE,引入化学反应后，大大提高了蚀刻速率和增加了蚀刻的选择性。

RIBE的化学反应是根据蚀刻材料选择不同的反应气体或混合气体进入离子源放电室离化，经离子成像系统后成为方向性良好的离子束轰击基底的表面，同时产生化学反应，吸附气体与表面材料的化学反应使蚀刻速率成倍提高，因而实现薄掩模加工出大深宽比的微图形。

（3）化学辅助离子束蚀刻（CAIBE）
这是一种新的离子蚀刻方法，离子束仍用惰性气体，反应气体从另一通道直接喷向材料表面，这样惰性气体离子束和反应气体的通量可独立控制，获得最佳蚀刻工艺参量。

1.2.2 湿法蚀刻
湿法蚀刻指用稀释的化学溶液来刻蚀基底材料。

如利用稀释的HF溶液来溶
解SiO
2、Si
3
N
4
和多晶体硅，而KOH用来刻蚀硅基底。

刻蚀的速率取决于基底上被
腐蚀的材料和溶液中化学反应物的浓度以及溶液的温度。

1.2.3 聚焦离子束
聚焦离子束FIB（Focused Ion Beam）就是在电场和磁场作用下，将离子束聚焦到亚微米量级，通过偏转系统和加速系统控制离子源，实现微纳米结构的无
掩模加工。

聚焦离子束的主要特点是：离子束可在几平方微米到1平方微米的区域内进行数字光栅扫描，可实现:①通过微通道板或电子倍频器收集二次带电粒子来采集图像；②通过高能或化学增强溅射来实现对材料的去除；③淀积金属、碳或类电介质薄膜的亚微米图形。

2微光学阵列技术
凡是将一个光的信息输入变换成多个光的信息输出，而器件尺寸在微米量级的功能器件或系统就称为微光学阵列器件或微光学阵列技术。

显然，这种器件或技术的目的是为了获取阵列成像或多重成像，以适应近代图像中获取平行处理和高速处理的功能，实现多通道读写、光互连、光网络、阵列采样等技术，用于高速光通信、光计算、网络系统以及高速、超高速图像处理上。

2.1泰伯阵列发生器
泰伯（Talbot）阵列发生器是一种近场Fresnel衍射变换。

当周期物体（如光栅）用单色平面波照明时，在近场条件下（衍射距离≤d2/λ），将产生Fresnel 衍射，在z t=2Nd2/λ处会出现该周期物体的像，这种无透镜的成像现象就称为Talbot效应或自成像（self imaging）效应，式中N=1，2，3，…；d是周期物体的周期；λ是照明单色光的波长；z t称为泰伯距离或自成像距离实践还证明在z=z t/n（n为整数）处，还存在相似的原物像，但振幅与周期有所变化，这一现象称为分数泰伯效应。

设U0(x)是位于z=0平面上的一维周期物体（光栅）的透过率，当周期用d 表示时，用Fourier展开，则有
式中：m为衍射级次，m=0，±1，±2，…。

在波长λ的平面波相干照明下，在z方向产生的Fresnel衍射场为
令式中的zλ/2d2=N，N=1，2，3，…，则U2(x)和U0(x)有相同形式的分布，即自成像。

自成像距离（Talbot距离）为
因此任意周期结构，如正弦光栅或矩形光栅都存在泰伯效应。

2.2达曼光栅阵列发生器
达曼（Dammann）光栅阵列发生器是一种远场傅里叶变换，这种变换的最大特点是可以获得等光强的光阵列，从而得到光强均匀的多重成像，衍射效率可达90%以上。

达曼光栅是一种二值（0，π）的相位光栅，光栅周期归一化为1，结构中的突变点｛a l，b l｝，（l=1，2，…，L）的位置，决定了光栅的性质，设振幅透过率t a(x)是周期性的，用Fourier级数展开，则
式中：m为衍射级次；T a(m)为Fourier系数，用突变点的坐标表示，当m=0时，可写出
当m≠0时，则有
式中：
而光栅各级功率谱为
2.3微透镜阵列
微光学提供了新颖的光学硬件元件和其他系统设计的自由度，打开了光学应用的新的领域。

微透镜阵列被用于单激光束的控制，基于微透镜的成像系统，光互连系统中多重成像和阵列成像的焦点成综合像。

微透镜阵列由于承担的功能不同，MLA大体分为两类：
（1）非成像光学阵列----主要起聚能器作用。

要求入射在其上的光线全部出射，不能逃逸，设计可不考虑像差。

由于非成像MLA是由多孔径来承担，在考虑填充因子的情况下，可获得照度均匀的聚能器，这是其特点，目前已用于各种平板显示及聚焦平面阵列中。

（2）成像光学阵列----MLA的成像属于多重成像，可以用于传真机（FAX）、打印机、照排机等大面积传像系统中。

2.3.1非成像微透镜阵列
对传统光学设计，初始条件是孔径、视场角以及像质容限。

对非成像集能器，初始条件是光束入射角、孔径以及汇聚率。

汇聚率是光束经光管系统汇聚前后的光束面积之比。

汇聚率由出射孔径决定。

可以采用光学边缘光线法。

边缘光线法的原理，A、B、C是设计考虑的三条光线，A是通过透镜中心的视场光线，B、C是两条边缘光线。

当已知探测器像元尺寸、光敏区尺寸、主光学系统的F/#（F数），就可由边缘光线法求解微透镜曲率半径和微透镜探测器的距离。

2.3.2成像微透镜阵列
成像微光学阵列与常规光学的不同主要是成像微光学能将单一的信息输入变换成多个信息输出，从而可以实现阵列成像（多重成像）、多通道读写、光互连、三维阵列采集。

这是光学高速平行处理的基础，是光通信、光计算、网络系统、高速图像处理中的关键技术。

随着半导体激光器阵列（LDA）、发光二极管阵列（LEDA）等阵列光源的出现，更促进成像微光学阵列的应用。

成像微光学阵列的构成，它由阵列光源、微光学阵列器件以及探测器阵列三部分组成。

成像微光学阵列的最早的例子是1908年Lippmann提出的微透镜阵列立体照相术。

这种立体照相是用微透镜阵列对同一物体摄影，在照相底片上记录的是多重像，即从不同方位来的物体信息，再用微透镜阵列还原为立体景物，获得三维真实的立体照相。

由于微细加工的工艺难度大，故一直未能实现。

自然界中昆虫的复眼也是一种多重成像，目前在传真机、复印机中采用的梯度折射率的GRIN微镜阵列，也属于微光学多重成像光学系统。

光学阵列的综合成像是指二维物体经光学阵列后形成的交叉，重叠综合后的成像。

梯度折射率自聚焦透镜阵列在传真机和复印机中的成像就是MLA的综合成像。

2.3.3微透镜阵列的应用
微透镜阵列（MLA）是微光学技术中广泛使用的单元器件，除上述多重成像外，还有更多应用，从灵巧的光扫描到焦平面探测器，从高效逆反屏到微镜大屏幕显示，从微集能器到自由空间微光学，而且越来越多的场合会用到微透镜阵列。

（1）微镜扫描
微镜扫描就是利用微透镜进行光扫描。

当两块MLA相对位移时，就可灵巧地实现光束偏移。

微镜扫描的特点是轻巧灵活，扫描线性好，价格低，已成功地在λ=3~5μm的红外扫描上应用。

当F/#=1.4，扫描视场角45°及60°时仍有衍射限的质量。

另外，在光传感器、打印机、全息数据存储、条码读数上都有应用。

（2）微镜波前测量
利用二维微透镜阵列与CCD探测器结合就可以实现光学波前的实时测量。

如Shack-Hartmann波前传感器，当入射为一平面波时，平面波经物镜系统汇聚后在二维CCD上成像。

如果在物镜入瞳面上设置MLA，就可以高精度实时探测外界的光学扰动（如大气湍流、温度场变化等）。

即当外界存在光学扰动时，入射平面波畸变成不规则波面，畸变波面经MLA后在焦平面上将形成不同大小的光斑和位移，由CCD相机经高速数据采集系统以及软件的事后处理，用条纹数（N）来表示波前的一阶相位值。

当MLA的阵列数较多时（大于100×100），由条纹数就可以编码为一幅相位图，记录此相位图就可复原重建此实时波前。

同样，用此Shack-Hartmann微镜波面传感器反馈控制光学系统就构成自适应光学。

（3）微镜三维测量
微镜3-D测量是基于共焦显微镜原理的，共焦成像是将具有衍射极限大小的小孔经过显微物镜成像，构成共焦系统，而在微镜三维测量中。

小孔P经过透镜L2变成平行光入射到微透镜阵列上，当微透镜把P成像到被测表面上形成物点P’时，如果此物点P’是微透镜的焦点，那么P’光点将自准直经L3成像在孔栏2上，在像面P’’后面用探测器CCD接收。

要获得一个小孔的被测物体3-D轮廓，必须对z方向实现x、y上的扫描，x、y上扫描范围就是微镜的半直径。

与共焦显微镜相比，采用MLA的优点是：扩大了测量范围和大大提高测量效率。

（4）微镜焦平面阵列
焦平面阵列（Focal Plane Array，FPA）是近代凝视成像（Staring Image）的探测器。

FPA具有最高的探测灵敏度（背景限灵敏度），而且不用扫描成像，因此，其结构小、重量轻、功耗低、可靠性高，是目前热成像（红外成像）的主要器件。

在凝视成像时FPA接收目标辐射的光子并转换成电子（或载流子），存储在焦平面上，积累时间越长，存储的电子越多，因而提高信号强度。

但焦平面的
面积有限，每个像元存储电荷的面积很小，在强背景或大孔径时，像元很快饱和，这就限制了凝视（积累）时间，限制了系统灵敏度，影响了动态范围。

一般红外成像要求动态范围是10000：1。

为了增大凝视时间，减缓饱和，就必须增大积累时间，加快读出速率和改变前放增益，这就使多路读出处理电路变得十分复杂，从而降低了器件的填充因子。

填充因子是指探测器上受光面积与产生光敏面积之比。

一般红外FPA（IRFPA）的填充因子小于0.5。

例如，日本Mitsubishi 256×256 IRFPA填充因子仅达0.25，美国Ford 256×256 IRFPA填充因子为0.52。

在不改变FPA信号处理电路的前提下，采用微透镜技术，是填充因子达到0.85以上而探测器实际接收面积可大为缩小，使焦平面有更大面积用作电荷存储和传输电路用，从而大大提高FPA的性能。

这就是：
a．利用微透镜的聚光作用，使探测器面积减少到1/10以下。

由于能量集中，除提高了探测器的灵敏度、降低了材料不均匀影响外，还减少了外界噪声对探测器的影响，在宇宙空间中还能增强抗γ射线的能力。

b．增大电荷存储面积和处理电路面积，在不变条件下，可获得更小尺寸的FPA。

c．微镜FPA中微镜一般起场镜作用，增大了成像系统的F/#。

（5）光信息处理、光互连、光网络上应用
微光学在光信息处理中有很多应用，最普通的是采用波带片阵列ZPA（Zone Plate Array）。

ZPA用微光学方法制作，产生高斯光束但光强是均匀分布的光点。

ZPA主要用于高速平行信号处理系统或实时信号处理系统，如果再结合匹配滤波那将获得更好的结果。

利用一对透镜阵列或微透镜阵列可以实现光互连。

光互连已证明在速度、能量及密度上都比电子互连有更多优点，是当前光电系统中一个活跃的研究领域。

微光学由于成功的用于光开关，这就使微光学在光信息处理上有多应用前景。

3微小光学的发展趋势
微光学技术是90年代发展起来的光电学科前沿技术，是光电技术阵列化、微型化、智能化的主要发展方向。

微小光学目前已经发展成为光学、光电子领域相对独立的一门学科分支，并且形成了一套比较系统和完整的理论和方法。

对于微小光学的发展，从以自聚焦透镜的出现为标志的早期阶段到以微透镜阵列的发
展为标志的微小光学迅猛发展阶段，微光学器件向着集成化、多功能化发展，并将逐步发展成以三维光集成器件的发展和应用为主的时期。

现如今，微小光学的发展正在迅速深入和拓宽，预计今后的发展趋势大致如下：一是微加工技术的完善，尤其是微米级的微光学加工工艺；二是微光学材料的研究和开拓，尤其是一些新型智能型材料、离子交换聚合物金属复合材料等一些轻量化和微小化材料，另外，微光学元件的集成化和多功能化也在不断发展，尤其是三维集成器件的发展。

参考文献
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