什么是微光学器件及其应用领域

简单来说，微光学器件是传统光学元件的微型化版本。传统光学系统中的组件（如透镜、反射镜或棱镜）尺寸仅比光波长大几个数量级。  

在医学内窥镜中，光学系统小型化的优势尤为明显。近年来，微光学技术及其制造工艺的进步，使整个光学模块（包括图像传感器）得以缩小至边长小于 1 毫米的立方体。  

除了尺寸更小外，微光学还为传统光学任务（例如投影系统）带来了全新的优化概念。传统的投影系统通常由多片透镜依次排列组成笨重的结构，而微透镜阵列可实现光线的并行投射，从而在保持高光通量的同时大幅度缩小系统体积，并缩短焦距。  

当尺寸进一步从微米级缩小至纳米级时，光的调控方式由**折射**转变为**衍射**。这为光学设计开辟了全新的可能。例如，衍射光学元件（DOE）可以将原本平行的激光束变换为几乎任意分布的光形。一个典型的应用是在 3D 感测中生成点阵图案，用以测量物体的宽度、高度与深度。

制造过程是如何进行的？

这种新型光学器件自然需要全新的制造方法。由于结构尺寸和精确对准的限制，传统工艺（例如注塑成型）已不再适用。  

目前，**紫外微/纳米压印工艺（UV Micro/Nano Imprint）**已成为成熟且可在多家制造商的标准设备上直接使用的技术。该工艺中，将液态、透明的紫外固化材料涂覆在玻璃晶圆上，然后与带有微结构的模具接触。当模具确定了透镜或衍射光学元件（DOE）等结构的几何形状后，材料通过紫外光照射固化。固化完成后，移除模具，并将带有微结构的晶圆切割成单独模块。

将光阑集成为功能层

当需要在光学元件中集成额外功能时，制造过程会变得稍微复杂一些。例如，光阑（Apertures）是许多光学设计中的关键组成部分。  

迄今为止，光阑通常通过**光刻工艺**标准化地集成到压印光学元件中。该方法包括先在玻璃晶圆上制备带结构的铬层，然后将光学结构直接压印在晶圆上。  

光刻工艺由多个步骤组成：  

• 在玻璃晶圆上均匀镀覆一层铬；  
• 涂覆光刻胶（Photoresist）；  
• 通过光刻步骤对光刻胶进行结构化；  
• 对光刻胶进行化学显影；  
• 去除部分铬层；  
• 去除残留的光刻胶。  

这种方法存在以下缺点：

• 工艺极其复杂，因此成本较高；  
• 同时显著限制了光阑的应用范围。该工艺仅适用于玻璃晶圆，并且通常与在聚合物光学元件表面形成铬层结构不兼容；  
• 还可能出现附着力不足的问题——无论是铬层与玻璃之间，还是聚合物材料与铬层之间，都可能导致粘附失效。

新方法 1：在光学器件中直接嵌入功能性材料

通过将功能性材料（例如黑色材料）直接嵌入聚合物光学结构中，可以避免此前提到的诸多问题。  
实现这种方法的一种途径是在压印过程中，除了形成光学结构外，同时压印出定义好的通道结构。随后将这些通道填充低黏度的黑色材料，并通过紫外光或加热方式进行固化，从而大大简化工艺流程。  

这种方法的另一项优势在于，透明光学材料与黑色功能材料的**热机械性能**（如热膨胀系数）彼此更为接近，而不像玻璃、铬及聚合物那样差异显著。因此可避免热膨胀不匹配产生的热应力，提高器件的整体可靠性——经温度循环测试验证效果显著。  

此外，由于该工艺不再需要使用玻璃基板，光学器件的**重量与厚度**得以显著减小，同时**制造成本**也随之降低。

新方法 2：采用临时载体

另一种可行的方法是使用**临时载体**（例如塑料薄膜）作为起始基底。在载体上通过丝网印刷方式沉积遮光聚合物，从而形成光阑。聚合物经紫外光或加热固化后，进行标准的紫外压印工艺，在此过程中可使光学结构与光阑实现精确对准。透明材料固化并移除模具后，剥离载体薄膜，即得到一体成型（全聚合物）的带有集成光阑的光学模块。  

这两种新方法具有共同的优势：黑色功能材料的性能可根据光学设计及其相应工艺进行定制。  

• **示例 1：** 可丝网印刷的中等黏度材料，具有高吸收系数，在几微米薄层中即可实现高光密度。  
• **示例 2：** 用于填充功能结构的低黏度材料，具有中等吸收系数，在数百微米厚的结构中同样可实现高光密度。  

此外，还可以直接在聚合物中集成**光谱滤波功能**，例如阻挡特定波长范围的光，同时允许其他波段透过。

集成功能性电导层

某些应用需要在光学元件中集成**电导结构**。其中一个典型例子是用于**飞行时间（ToF）传感器**或**结构光传感器**的扩散元件，该元件负责形成发射器的准直激光束。在这类应用中，导电结构被用作安全监测网络，可检测扩散元件的潜在损伤，从而防止发射激光束带来安全隐患。此类安全网可采用与光阑制造类似的工艺实现，但所使用的材料不同——采用**各向同性导电胶（ICA）**，而非黑色聚合物。  

首先，将 ICA （例如 DELO DUALBOND IC343）通过丝网印刷方式沉积在临时载体薄膜上，形成所需结构（如导电线路、光阑等）。随后，使用透明的紫外固化材料（例如 DELO KATIOBOND OM614）在该薄膜上压印纳米结构，从而生成衍射光学元件（DOE）。剥离载体薄膜后，即可得到包含多个 DOE 并集成导电结构的全聚合物晶圆。