什么是微光学元件？

微光学元件（Micro-optics）是微尺度的光学元件，其横向尺寸或直径通常介于1微米至1毫米之间（具体取决于系统定义）。该领域与光子学密切相关。光子学主要研究利用微型化系统，在小尺度范围内对光进行调控、传输和控制。

目前，有许多类型的微光学系统，其中大多数是大型光学系统的微型化版本，这些光学系统由玻璃和聚合物等传统光学材料制造而成。不过，一些微光学系统也被用于红外应用中，并且采用通过光刻工艺制造的半导体材料。

当今的微光学系统采用了许多大型光学系统的基本原理和光学功能，只不过是在更小的尺度上实现。这些原理包括不同光波长的折射、衍射和反射。微光学元件因尺寸小，有时会导致光学像差，但凭借其系统微型化的整体优势，微光学元件仍然成为了许多先进技术应用的重要组成部分。

微光学元件种类繁多，其中许多类型元件的结构和制造工艺与传统光学元件类似——包括透镜、反射镜、棱镜、衍射光栅和孔径，只不过其尺寸要小得多。目前一些常用的微光学元件如下所示：

微透镜

微透镜是尺寸非常小的透镜，其直径处于微米尺度，而不是毫米、厘米或更大的尺度。近年来，微透镜技术最大的进步之一是梯度折射率（GRIN）透镜。GRIN透镜具有多个可由不同材料制成的表面，并且所有表面都具有不同的折射率。透镜的多层结构通过各层折射率的差异来实现光线折射，使光在透镜内周期性地被折射并传递到下一层。一些GRIN透镜也开始通过在微透镜表面设置光栅结构来集成衍射光学元件。然而，这些并非传统的GRIN透镜，而是更类似于超透镜。另一类主要的微透镜是微型菲涅尔透镜，其通过一系列同心的曲面结构，利用折射实现对光的聚焦。

微透镜阵列

微透镜阵列——也被称为透镜阵列，是一系列按特定几何图案制备和排列的微小透镜。其通常是网格结构或周期性结构，通过按特定图案排列来实现不同的功能，例如对光进行调控、聚焦或引导。微透镜阵列还可以根据其预期功能和工作原理，被制造成折射微透镜阵列和衍射微透镜阵列。

光纤

光纤凭借其在日常电信中的光传输应用而广为人知。微尺度纤芯直径的光纤被视为微光学系统。这些具有超小直径的光纤组合在一起，以在光纤电缆中实现光（包含数据）的远距离传输。光纤结构包含纤芯、包层以及外部保护镀膜，其中纤芯的折射率较低，包层的折射率较高。较高折射率会将光反射回纤芯内部，从而将光引导到预期目标位置，并确保光纤在传输过程中不会出现任何损耗。这种反射原理被称为全内反射（TIR）。该原理被应用于光信号的远距离传输，不过通过光纤中光的可控泄漏，也可以实现环境照明效果，应用于汽车、飞机、船舶、夜总会等场所。

微棱镜

微棱镜是由实心玻璃制成的微型化光学棱镜，具有特定的几何结构，使其能够实现光的偏转、位移和色散。微棱镜是传统光学棱镜的微型化版本，它们主要用于引导光，并在光纤通信中被广泛用作光学开关。

微镜

微镜是大型反射镜的微型版本，两者的基本反射原理相同。与传统的反射镜一样，微镜的表面采用由电介质或金属多层结构制成的反射膜层，以实现对光的反射，只不过其工作尺度更小。它们通常与微型执行器结合使用，以实现其在运行过程中的精确位置控制。微机电系统（MEMS）器件就是微镜系统的一个示例。MEMS可以包含许多组件，但常见的MEMS架构是一系列微镜，其中每个微镜都可以同时或单独地快速改变角度。

微光学元件的优势

微光学元件种类繁多，各自在具体应用中拥有特定的优势。不过，其主要的整体优势是尺寸小。此外，小巧的尺寸还带来了许多次级优势，包括能够使光学器件更加轻量化和小型化，这在传统多波段光学系统通常庞大笨重的背景下尤其有价值。同时，该技术还意味着，能够以更少材料、更低成本为微电子和光电子产品研发先进的光学元件。

微光学元件的微型尺寸也有利于开辟新的应用领域，例如先进的外科内窥镜和机器人手术系统，使操作者能够在不同黏度和透明度的液体环境中进行观察。

微光学技术有助于提高现有光学器件的性能并缩小其尺寸，为透镜和其他光学元件开创新的应用，并利用更先进的系统取代现有技术。以下是一些常见用途。

摄影测量

摄影测量类似于光探测与测距（激光雷达）传感过程，但使用的是摄像头。摄影测量是一种利用照片对物体和环境进行重建的方法。该技术使用地面和空中的摄像头，从多个角度拍摄照片，并通过先进的软件算法进行处理和组合，以创建地形图和3D模型。

摄影测量能够在更大尺度范围内进行测绘，并且可以借助计算机实现自动化处理。该技术可以测量摄像头附近的数百万个点，并计算每一个点到摄像头之间的距离。摄影测量的精度高于激光雷达，并能够以被动方式探测距离，而激光雷达需要通过主动发射光束并执行飞行时间（ToF）计算来完成距离探测。透镜阵列，能够以光场成像（LFI）摄像头的形式用于摄影测量领域。这些相机无需进行物理移动，因为每个镜头都按特定间距排列，并拥有各自的视场，可用于测量周围环境。

无人机和自动驾驶

无人机和其他无人驾驶载具重量较大，因此有必要减小组件的尺寸和重量。光学元件其实仅占了其中一小部分的重量，但随着无人机变得越来越小巧，使得成像系统和监控技术也得以实现小型化。除了传统光学系统的微型化之外，无人机和其他自动驾驶还可以与摄影测量系统集成。

配备摄影测量系统的无人机，可以在一小时之内对一个地点完成航拍测量任务，而采用人工方法，则需要两三个人花费好几天时间才能完成。摄像头可以在不移动位置的情况下拥有多个视场，因此它们还可能取代当今自动驾驶汽车中使用的激光雷达系统。

生物医学应用

医疗器械——尤其是进入人体内的医疗器械，需要小型化。微光学技术有助于不同医疗器械和手术工具中的光学元件实现微型化。

其中一个最广泛的应用领域，是提高内窥镜透镜的性能并缩小其尺寸。如今，微光学技术使内窥镜能够实现多波长成像，这有助于外科医生透过不同的流体（包括血液和水）进行观察。过去，由于需要集成的光学组件过多且结构复杂，很难在内窥镜中加入所有必要的光学元件来实现这些功能。不过，微光学系统的研发实现了将光学元件微型化，以达到手术中可行的水平。

对于外科手术，手术机器人的系统内部可能包含具有不同波长的激光器，其中一些波长能够穿透血液但会被水吸收，而另一些则具有相反的特性。这使外科医生能够靶向特定的目标组织，同时防止其他组织受到伤害。

光调控器件

微透镜还可用于对来自小型光发射器的光实现准直和聚焦，例如垂直腔面发射激光器（VCSEL）、激光二极管以及光子集成电路（PIC）芯片上的波导。微光学元件可以校正偏离理想特性的光，提高光的亮度，并实现多根光纤之间的光耦合。此外，微光学元件还可用于分光镜和偏振器，将激光光束分割成偏振元件。

相控阵列天线已集成到众多平台和封装中，可用于最大化特定方向的能量辐射。上面的动画展示了HFSS软件中的动态波束控制，同时显示了天线在主机封装其他部件上感应的电流。

微光学元件的小型化，为其设计和制造带来了挑战。从制造方法的选择，到可能成为限制因素的孔径尺寸，工程师在设计微光学系统时需要考虑许多问题。

微光学元件的制造

由于尺度微小且性能要求高，因此微光学元件需要采用高精度的制造工艺。如果微光学元件的制造质量不佳，则整个系统的性能将受到影响。因此，业内使用了一系列先进的制造方法，具体包括：

• 光刻胶回流：该技术将光刻胶沉积在小的圆形或球形区域上，然后将器件加热到阈值温度，使光刻胶熔化并流经整个基板表面。这种技术通常用于在光电芯片上制造带有圆角边缘的微透镜。
• 复制技术：这些制造技术既可用于体积庞大的光学器件，也可应用于微光学元件的制造。其中包括注塑成型、紫外线（UV）铸造和热模压。
• 微接触印刷：这是一种软光刻工艺，可用于制造光学透明的光滑曲面。该技术采用较软的材料，并通常用于制造更柔性的基板层。
• 基于晶圆的光刻：这种传统的半导体光刻技术，可用于为红外应用制造基于半导体材料的微光学元件。

流体与微光学元件的相互作用建模

对于内窥镜等外科手术应用，工程师需要展示人体的体液如何与光学元件相互作用，以及光在这些不同的体液中的传播方式。因此，需要对流体、光学元件以及整个系统中的光线追迹进行建模——Ansys Fluent流体仿真软件可用于对这些相互作用进行建模。

机械问题

正如普通透镜一样，微透镜也必须安装固定。安装透镜会导致振动，从而影响光学元件的性能。此外，安装透镜会导致双折射，进而也会影响微透镜的光学属性。Ansys Mechanical结构有限元分析软件可以对影响微光学元件的物理因素进行建模。

热问题

热问题会以不同的方式影响微光学元件。热量会导致光线元件的膨胀和收缩，从而导致玻璃的结构变形，包括产生波纹变形。玻璃的折射率与温度相关，并且当光/激光穿过透镜时，玻璃将会根据自身的温度，吸收不同级别的光/激光能量。因此，热效应建模对于高性能光学元件非常重要，其可以通过Ansys Thermal Desktop热建模软件和Mechanical软件来完成。

微光学元件的光学属性仿真

使用Ansys Lumerical软件、Ansys Zemax OpticStudio光学系统设计和分析软件以及Ansys Speos CAD集成光学和照明仿真软件，可以对光学系统进行不同规模的仿真。Lumerical使用时域有限差分（FDTD）和量子阱求解器来对极小尺度的光学系统（例如超透镜、单个基板层和光学膜层）进行仿真。OpticStudio软件能够在更高层级的尺度上，将完整的微光学系统作为一个整体系统进行建模。Speos软件则是最大尺寸的仿真器，可用于研究微光学元件如何与更广泛的应用系统（例如车辆）进行集成。

虽然有许多不同的工具可用于对微光学元件的不同方面进行仿真，但求解微光学设计问题需要多个工具的协同工作，因为仅凭单独一种工具无法实现所有不同的仿真需求。

微光学元件将不断朝着更小型化、轻量化和更先进的方向发展。GRIN透镜是迄今为止最重要的发展之一，但在未来，我们有望看到超透镜和共封装光学元件的兴起。超透镜在非常薄且扁平的纳米级透镜中结合了衍射光学器件和传统光学器件，而共封装光学器件则是一种先进的系统，可将微光学器件和电子元件集成到同一芯片上。此外，量子计算也有望成为微光学的下一个重要应用之一。

如欲进一步了解如何设计更高效、高性能的微光学系统并解锁新应用，请立即联系我们的技术团队。

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