什麼是微型光學元件？

微型光學元件是尺寸 (橫向尺寸或直徑，取決於系統) 從 1 微米到 1 毫米不等的微尺度光學元件。此領域與光子學密切相關，涉及使用微型化系統小規模地操控、傳輸和控制光。

現今存在許多類型的微型光學系統，其中大多數是較大型光學系統的縮小版，使用玻璃和聚合物等傳統光學材料製造而成。不過，有部分微型光學系統用於紅外線應用領域，這類應用也會使用微影製造的半導體材料。

現今的微型光學系統運用大型光學系統的許多基本原理和光學功能，只是尺寸縮小了許多。這包括不同光波長的折射、繞射和反射。由於微型光學元件的尺寸較小，有時會導致光學像差，但系統微型化的整體優勢使微型光學元件在許多先進技術應用領域中占據重要地位。

目前存在多種類型的微型光學元件，其中許多是以與傳統光學元件 (包括透鏡、反射鏡、稜鏡、繞射光柵和光圈) 相似的方式製造，只是尺寸小上許多。以下是現今使用的幾種常見微型光學元件。

微透鏡

微透鏡是非常小的透鏡，其直徑尺度為微米，而非毫米、公分或更大的尺度。近年來，微透鏡技術的最大進展之一是梯度指數 (GRIN) 透鏡。GRIN 透鏡由多個表面構成 (可由不同材料製成)，所有表面都具有不同的折射率。多層結構利用透鏡中各層的折射率變化，週期性地將光折射到下一層。GRIN 透鏡也開始在微透鏡表面上放置光柵，藉此結合繞射光學元件。然而，這就不屬於傳統的 GRIN 透鏡，而更類似超穎透鏡。另一個主要的微透鏡類別是微菲涅耳透鏡，使用一系列同心曲面，透過折射聚焦光線。

微透鏡陣列

微透鏡陣列也稱為小透鏡陣列，是以特定模式製造並排序的一系列微小透鏡 (小透鏡)。通常採用網格或週期性樣式，並且會以這些特定樣式進行排列，以執行不同的功能，例如操控、聚焦或導引光線。微透鏡陣列也可根據其預期功能和操作原理，做成折射型微透鏡陣列和繞射型微透鏡陣列。

光纖

眾所皆知，光纖用於在日常電信中傳輸光。具有微米級核心直徑的光纖被視為微型光學系統。這些擁有超小直徑的光纖會組合在一起，在光纖纜線中長距離傳輸光 (包含資料)。光纖具有折射率較低的纖核、折射率較高的包層，以及外部保護塗層。較高的折射率會將光反射回纖核，將光引導至預期目的地，並確保光纖在傳輸過程中不會發生任何損耗。這種反射原理稱為全內反射 (TIR)。上述原則用於長距離傳送光，但受控制的光纖光洩漏也可用於汽車、飛機、船舶、夜店等環境照明效果。

微稜鏡

微稜鏡是由實心玻璃製成的小型版光學稜鏡，具有特定的幾何形狀，使其能夠旋轉、移位和散射光。雖然微稜鏡是傳統光學稜鏡的較小版本，但其主要用於導引光，且常在光纖通訊中作為光學開關使用。

微鏡

微鏡是大型反射鏡的較小版本，使用相同的反射基本原則運作。如同傳統反射鏡，微鏡的表面使用反射塗層 (材料為介電或金屬多層結構) 製成，以小上許多的規模反射光。它們通常與小尺寸致動器併用，這些致動器可在操作期間中精確調整其位置。微機電系統 (MEMS) 裝置是微鏡系統的範例之一。雖然 MEMS 可能包含許多元件，但常見的 MEMS 架構是一系列微鏡，每個微鏡都可一起或分別快速改變角度。

微型光學元件的優勢

微型光學元件的類型眾多，各自在特定應用領域中擁有特定優勢，但它們主要的優勢是小巧的尺寸。除此之外，小尺寸還提供許多次要優勢，包括能使光學裝置更輕盈小巧，相較尺寸龐大累贅的傳統多頻寬光學系統尤其實用。這也代表可以使用較少材料和較低成本，為微電子和光電子開發先進光學元件。

微型光學元件的小巧尺寸也為這類透鏡開啟了新應用領域，例如先進的手術內視鏡和機器人手術，讓使用者能透視黏度和透明度不同的各種類型流體。

微型光學元件有助提升現有光學裝置的效能並縮小其尺寸，為透鏡和其他光學元件開啟新應用領域，並以更先進的系統取代現有技術。以下是幾個常見用途。

攝影測量

攝影測量與光線偵測和測距 (光達) 感測類似，只是方法改為使用相機。攝影測量是使用照片重建物體和環境的方法。在地面和空中使用相機從多個角度拍攝照片，並透過先進軟體演算法處理和拼接，建立地形圖和 3D 模型。

攝影測量可在更廣大的規模上進行對應繪製，並可透過電腦自動完成。攝影測量可以測量攝影機周圍的數百萬個點，並計算每個點的距離。攝影測量比光達更準確，且可被動偵測這些距離，而光達則需要發送射線並執行往返時間的計算。在攝影測量應用中，會以光場成像 (LFI) 相機的形式使用小透鏡陣列。這些相機不需要實際移動，因為以特定距離分開設置的每個透鏡都有各自的視場來測量周圍環境。

無人機和自動駕駛車輛

無人機和無人載具非常重，因此需要縮減元件的尺寸和重量。雖然光學元件只占重量的一小部分，但隨著無人機越來越小，小尺寸光學元件可使成像系統和監控技術的尺寸相應縮減。除了將傳統光學系統小型化之外，無人機和其他自動駕駛車輛也可以與攝影測量系統整合。

具有攝影測量系統的無人機可在不到一小時內飛遍現場進行調查，相較之下，人工方法需要兩到三人花費數天時間，才能執行相同任務。由於相機可以在不移動的情況下擁有多個視場，因此也可能取代目前自動駕駛車輛中使用的光學雷達系統。

生物醫學應用領域

醫療裝置，特別是放入人體內的裝置，必須尺寸小巧。微型光學元件有助將不同醫療裝置和手術工具中的光學元件微型化。

其中一個最大的應用領域是提升內視鏡中的透鏡效能並縮小透鏡尺寸。微型光學元件目前提供了可在內視鏡中使用多波長功能的方法，協助外科醫生透視包括血液和水在內的不同流體。過去，要包含所有必需的光學元件以使內視鏡具備這些功能，一直都過於繁瑣。然而，微型光學系統的發展幫忙將光學元件規格縮小至可在手術中應用的程度。

就手術程序而言，機器人手術儀可在系統中包含不同波長的雷射，有些對血液為透明，但對水為不透明，而其他雷射則具有相反屬性。這可讓外科醫師鎖定特定目標組織，同時防止其他組織受到傷害。

光操控裝置

微透鏡也可用於準直和聚焦來自小型光發射器的光，例如垂直共振腔面射型雷射(VCSEL)、雷射二極體和光子積體電路 (PIC) 晶片上的波導。微型光學元件可修正偏離其理想特性的光、改善光的亮度，並耦合來自多個光纖的光。此外，微型光學元件可用於分光鏡和偏光片，將雷射光束分成其極化分量。

許多平台和套件皆整合了相位陣列天線，可用來將指向特定方向的能量最大化。上面顯示的是一段 HFSS 軟體動畫，呈現動態波束導向的動作，並顯示天線在主機封裝裡的其他零件所形成的電流。

微型光學元件的小巧尺寸構成設計和製造層面的挑戰。從選擇製造方法到光圈尺寸都可能成為限制因素，因此工程師在設計微型光學系統時需要多方考慮。

製造微型光學元件

小尺寸與高效能的需求意味著需要高精度的製造技術。如果微型光學元件的製造品質不高，整體系統的效能將會受到影響。因此會使用各種先進製造方法，包括：

• 光阻熱熔：此法將光阻沉積至圓形或球形的小區域上。裝置會加熱至臨界溫度，此時光阻會熔化並流過基板表面。這通常用於製造光電晶片上具有圓角邊緣的微透鏡。
• 複製技術：這是用於大型光學元件的製造技術，但也可用於製造微型光學元件。其中包括射出成型、紫外線 (UV) 鑄造和熱壓印。
• 微接觸印刷：這屬於軟微影製程，用於製作光學透明的光滑曲面。可搭配較軟的材料使用，且通常用於製造較偏軟性的基板層。
• 晶圓基底微影：這是一種傳統的半導體微影技術，用於為紅外線應用製作以半導體為基底的微型光學元件。

針對流體與微型光學元件互動的方式建模

對於內視鏡等手術應用，工程師需要展示體液如何與光學元件互動，以及光如何在不同的體液中傳播。因此，需要對流體、光學元件以及射線在整個系統中的軌跡建模，而此類建模工作可使用Ansys Fluent 流體模擬軟體進行。

機械問題

如同一般透鏡，微透鏡也必須加以安裝。安裝透鏡可能會導致振動，進而影響光學效能。此外，安裝透鏡可能會引發雙折射，這也會影響微透鏡的光學屬性。透過 Ansys Mechanical 結構有限元素分析軟體，即可對可能影響微型光學元件的物理層面進行建模。

熱問題

熱問題可能以不同方式影響微型光學元件。熱可能會導致元件膨脹和收縮，進而造成玻璃發生結構變形，包括玻璃中出現波狀起伏。玻璃的折射率取決於溫度，且當光/雷射能量穿過透鏡時，玻璃會吸收不同程度的光/雷射能量，視玻璃的溫度而定。因此，對於高效能光學元件而言，將熱效應建模至關重要。這可以透過 Ansys Thermal Desktop 熱中心建模軟體和 Mechanical 軟體完成。

模擬微型光學元件的光學屬性

使用 Ansys Lumerical 軟體、Ansys Zemax OpticStudio 光學系統設計與分析軟體及 Ansys Speos CAD 整合式光學與照明模擬軟體，進行不同尺度的光學系統模擬。Lumerical 使用有限差分時域 (FDTD) 和量子井求解器，針對極小尺寸光學系統進行模擬，例如模擬超穎透鏡、個別基板層和光學塗層等。OpticStudio 軟體則擴大尺度，以個別系統的形式為完整的微型光學系統建模。Speos 軟體是最大尺寸的模擬器，可檢視微型光學元件如何整合至更廣泛的應用系統中，例如車輛等。

雖然有許多不同工具可用於模擬微型光學元件的不同層面，但解決微型光學設計問題需要多個工具協同作業，因為沒有任何一個工具可單獨模擬所有不同的必要層面。

微型光學元件將會持續發展，變得更小、更輕且更先進。GRIN 透鏡是迄今為止最大的發展之一，但未來我們可能會看到超穎透鏡和共同封裝光學元件興起。超穎透鏡在極薄且扁平的奈米尺度透鏡中，結合繞射光學元件與一般光學元件，而共同封裝光學元件則屬於進階系統，讓微型光學元件與電子元件得以整合在同一晶片上。也有人認為量子運算會是下一個使用微型光學元件的大型應用領域之一。

若想進一步瞭解如何設計更有效率且更高效能的微型光學系統，並解鎖新應用領域，請立即聯絡我們的技術團隊。

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