光学元件不断缩小，制造和计量成为关注焦点

微光学从新兴领域发展成为现代光学系统的基石，为光在微观尺度上的操控所具有的商业潜力提供了有力证据。随着微光学技术领域的蓬勃发展，计量、制造和应用方面的协议也在经历一场变革。如今，生物医学设备、激光雷达、增强现实和虚拟现实（AR/VR）以及电信等领域正受益于分辨率、小型化和功能性的突破。

就拓宽微光学的商业前景而言，持续的成功在很大程度上取决于这些协议的不断发展。计量、制造和应用这三个领域各自都面临着独特的挑战和机遇，最终将塑造从研发到终端用户的光学技术的未来。

AR/VR、电子设备和成像

从根本上讲，微光学超越了传统光学的性能。例如，超表面元件和微透镜阵列能够在亚波长尺度上精确操控光的传播。这些光学元件可以替代传统的笨重光学元件，用于制造紧凑、轻便的设备，并实现新的、往往具有创新性的应用。

这些应用正在AR/VR和消费电子设备等领域蓬勃发展。根据市场研究机构Yole Group的数据，可以通过对包括AR在内的新兴领域的投资金额来追踪微光学的发展。一份最新报告显示，自2017年以来，预计将成为AR供应链一部分的微光学创业公司已获得超过3亿美元的投资。

▲对超光学元件 （MOE） 的需求增加使纳米压印光刻 （NIL） 等制造方法以及材料成为焦点。

Yole Group的技术与市场分析师 Raphaël Mermet-Lyaudoz 表示：“在智能手机和平板电脑中，硅基超表面将开始被集成到3D传感模块中，以提高性能或优化成本。”该公司的另一位技术与市场分析师 Axel Clouet 表示：“随着苹果最近做出这一选择，我们可以预计该公司会将其集成到整个产品线中，每年产量超过1亿件。”

AR/VR系统依赖于微光学来实现沉浸式视觉。微透镜阵列和衍射波导将来自显示器的光线引导至用户的眼睛，最大限度地减少失真并最大化视野。特别是波导，它们将图像投影到透明表面上，将数字内容与现实相结合。随着AR/VR设备变得越来越先进和用户友好，对更先进的微光学的需求正在推动设计和制造的进步。

然而，大规模制造仍面临障碍。如今，某些成像应用的超表面可以使用标准半导体工艺生产，几乎没有瓶颈阻碍需求的满足。然而，纳米压印AR组件的生产商尚未标准化一种能够平衡光学质量、产量和成本的制造工艺。但目前，市场增长的步伐使得当前的能力能够满足需求。

除了成像，超表面还用于先进的标记解决方案，如防伪。例如，总部位于瑞士的Morphotonix公司使用精确的光子晶体制造来限制金属表面的防伪。该公司的解决方案基于以130,000 dpi的精度在金属物品上进行纳米雕刻。Morphotonix公司还在巧克力表面模制微结构，以产生引人注目的彩虹色全息图。

多样化的应用潜力

在生物医学成像领域，包括内窥镜在内的诊断设备采用了微透镜和光纤组件。这些光学元件能够实现高分辨率成像，同时最大限度地减少侵入性，帮助医生更准确、低风险地诊断疾病。此外，使用折射率在整个光学元件上变化的梯度折射率透镜，可以在极小的空间内聚焦光线。这增强了这些工具的成像能力。

在光学传感领域，自动驾驶汽车和测绘系统中的激光雷达系统依赖于微光学来实现必要的光束整形、聚焦和导向。激光雷达中的微光学促进了激光脉冲的功能，以测量距离。通过提高这些光学组件的精度和效率，制造商提高了激光雷达系统的分辨率和范围，使其更适合实时物体检测和3D测绘。

▲光纤耦合器阵列（最终产品）与晶圆（上图）的比较。两者都由具有高折射率的玻璃制成。提供各种元件尺寸对于满足各种微光学应用的需求至关重要（下图）

微光学对于电信和光子领域的发展也至关重要，特别是在光纤光学和光子集成电路（PICs）方面。微透镜和光束整形光学元件被用于在光纤和光子芯片之间高效地耦合光，从而最大限度地减少损耗并提高信号质量。在数据中心，速度和效率至关重要，微光学有助于优化通过密集光网络的光传输，以确保数据更快、更可靠地传输。

计量工具和技术

随着微光学的复杂性增加，其应用要求也越来越高，计量方面的挑战也将随之增加。专家所面临的问题和目标将超越测量形状或表面粗糙度的范畴。相反，他们将专注于解决由不同材料特性、表面几何形状和波长特定性能标准所产生的复杂问题。

为了准确表征这些考虑因素中的每一个，需要专门的工具和技术。白光干涉测量是一种首选的非接触式测量技术，而共焦显微系统则特别适用于评估陡峭表面角度和复杂几何形状。

“对于直径通常在0.5至4英寸之间的经典光学元件，传统的测试程序就足够了，” 炬光科技（Focuslight Technologies）的高级战略营销专家Dirk Hauschild说，“然而，微光学元件，特别是当它们以大型阵列的形式生产时，需要专门的并行测试，而这种测试在经典光学元件中并不常用。”

▲全自动拾取和放置机器可以简化大批量生产的关键步骤

波前传感器用于评估光学性能、测量光传播，并揭示像差、焦点质量和衍射效应。在这种计量环境中，波前传感确保光学元件按设计运行，特别是对于激光应用和波前完整性至关重要的光学通信系统。福斯莱特科技与一家测量工具供应商合作，改进了其系统，以测量300毫米晶圆的厚度，从而能够精确计算高数值孔径衍射受限微透镜中的光程差。这有助于生成模拟和性能图，帮助客户验证其组件的可重复性和可再现性。

但在这些情况下，即使表面文件数据格式的选择也可能导致生产和质量控制方面的错误——这是计量考虑因素高度优先的制造环节。一个挑战在于，使用精确的计量方法来最小化系统表面误差。例如，注塑是制造微光学元件的一种常用方法，它要求在生产过程的每个阶段都进行精确的计量。设备供应商，如总部位于新罕布什尔州的普瑞泰克公司（Precitech Inc.），使用原位和后制造计量来确保透镜模具满足目标制造步骤所需的公差。

材料驱动的计量挑战

就像光学元件的要求因应用而异一样，不同的材料也带来了独特的计量要求。例如，玻璃因其光学清晰度和广泛的波长传输特性而广受青睐，这就要求计量解决方案能够在纳米级公差内测量其表面粗糙度和形状。然而，由于玻璃的透明度和高折射率使得使用传统轮廓测量工具进行表面测量具有挑战性，因此通常使用带有相移技术的干涉测量来测量表面形状和波前误差。

聚合物在微光学制造中因其成本效益和易于制造而广受欢迎，特别是用于大批量生产。然而，聚合物在热稳定性和变形方面存在挑战。这意味着计量系统必须评估初始质量，并考虑材料的蠕变或尺寸变化。相干扫描干涉测量通常用于此类情况，以评估不同批次之间的表面纹理、台阶高度和材料一致性。

晶体材料，如硅和砷化镓，被用于光子集成电路，并且其用途还扩展到红外应用。这些材料在双折射和异向蚀刻行为方面提出了独特的挑战。例如Sony Digital Audio Disc Corporation使用白光干涉测量和原子力显微镜来满足光传输和反射所需的公差水平。

计量中的人工智能

整个制造业都在将自动化系统融入生产线。制造过程中的实时监测能够实现快速调整，提高生产效率，并确保每个组件都符合必要且通常严格的规格。

为了保持微光学组件、晶圆和薄基板堆叠的质量和性能，诸如Äpre Instruments公司的相移和光谱控制干涉仪等解决方案必须提供实时反馈，以便制造商能够立即进行调整。

Äpre Instruments公司的总裁Robert Smythe说：“使用[光谱控制干涉仪]消除背表面反射极大地缩短了反馈循环，这是自动化计量所要求的。”

人工智能（AI）的融入也直接将越来越先进的计量系统和实践与复杂的微光学联系起来。

“通过将先进的自动化和AI驱动的计量融入生产线，制造商可以确保透镜符合质量标准，同时降低成本和浪费，”齐格公司（Zygo Corporation）荣誉科学家Peter de Groot说，“专注于模块化和可适应系统，使公司能够确保其投资具有前瞻性，并在面临新挑战时保持灵活性。”

超越标准晶圆级制造

在微光学制造领域，纳米压印光刻（NIL）和光刻等晶圆级制造技术已相当成熟。然而，随着对更复杂几何形状、更高吞吐量和多功能光学元件需求的增加，更广泛的制造技术领域的创新正在超越标准工艺。

为应对这一挑战，新兴的制造方法高度重视提高灵活性、改善可扩展性，并将更多材料纳入制造过程。例如，硅基超透镜通常使用紫外线（UV）光刻和蚀刻等传统半导体工艺制造。衍射光学元件则采用纳米压印技术，该技术可实现大批量生产，且与基于聚合物的抗蚀剂兼容。

相比之下，基于激光的结构化技术使用超快激光脉冲直接在材料上写入光学结构，从而无需掩模或模具即可创建自定义图案。因此，基于激光的结构化技术特别适用于特种光学的原型制作或低批量生产。

其他技术则支持微光学制造操作的个别方面或工艺步骤。在单个光学元件中集成多种材料，创建结合不同基底优势的混合系统，是一种需要先进键合技术和精密对准过程的发展趋势。例如，玻璃微透镜可以与基于聚合物的衍射元件相结合，制造出能够处理宽带光并具有优异衍射性能的光学元件。在这种情况下，键合和对准至关重要，以确保在不引入不必要应力或畸变的情况下保持光学性能。当按照目标规格制造时，此类混合光学元件为紧凑系统中的复杂光操控开辟了可能性。

EV集团（EVG）业务发展经理Thomas Achleitner 表示：“我们正不断向更高水平的集成迈进。在EVG，我们正在光子集成电路、CMOS传感器和下一代显示器上压印光子结构。要满足苛刻市场的需求，准确的图案保真度和对残留层及光学元件的完全控制是前提条件。”

他还强调了NIL在对准精度方面的重要性，高集成项目通常要求亚300纳米精度。一般来说，较小的元件是使用专为半导体制造环境开发或现在已在该环境中发现的制造技术制造的。

在当前的纳米压印工具中，多个压印（如前表面和后表面）的对准精度通常在1微米以内。这种对准精度由孔径大小决定，孔径大小为几微米或更大，而不是最小特征尺寸（可能小至50纳米）决定的。

据Achleitner介绍，近年来另一个趋势是大力推动超光学元件的发展。这些元件具有结构化的高折射率表面，每个表面的数百万个超原子具有仅几十纳米的关键尺寸和非常高的纵横比。阿克莱特纳表示，制造此类元件需要通常在半导体制造中才能找到的先进制造技术。

最终，预期应用是决定关键参数的关键因素。对于成像应用，调制传递函数至关重要。对于超光学元件，透镜效率优先。

可扩展性

在可扩展性方面，玻璃回流成型以及基于激光的结构化等技术正在推动晶圆级光学制造的进步。玻璃回流涉及将玻璃加热到特定温度，使其软化并贴合预制模具。这能够在晶圆上直接批量生产高精度微透镜和光学元件。

索尼数字音频光盘公司使用大体积注塑成型和NIL生产微光学元件，如具有复杂几何形状的衍射光学元件、微透镜和光栅，这些元件是在全聚合物晶圆基底上制造的。虽然该公司目前专注于开发项目，但其目标是成为聚合物微光学制造解决方案的提供商，随后进行批量生产。

Sony Digital Audio Disc Corporation公司产品和服务开发经理Rudolf Ablinger 表示：“在娱乐行业成功运营37年后，我们现在正在折射和衍射微光学以及光子学领域建立我们部分独特的生产技术和工艺。”除了制造工艺外，Ablinger 还表示，该公司正在为计划进行的工作生产和使用各种涂层工艺。

降低进入壁垒

微光学在生物医学、汽车（光学传感）以及增强现实/虚拟现实（AR/VR）等核心应用领域的成功，增加了微光学生产设备的装机量。这反过来又使生态系统主要在现有生产能力的基础上发展。因此，纳米压印光刻和紫外线成型等生产能力的进入壁垒正在降低。

随着这些壁垒的降低，制造商正在部署高精度机器人系统，以微米级精度对准和组装微光学系统。这些系统通常融入实时测量反馈回路，使制造商能够根据即时测量数据调整压力、温度和对准等参数。这种程度的控制可最大限度地减少人为错误，并显著提高产量，尤其是在高复杂性光学元件中，即使是很小的偏差也可能导致性能损失。自动化也已扩展到后制造过程，如涂层和包装，其中机器人系统确保在大批量生产量中保持一致的质量。对于在敏感环境中使用的微光学元件（如医疗设备或太空应用），气密密封和精密涂层至关重要。

“我们只是刚刚开始利用光子带来的好处来设计和制造产品和工艺，”炬光科技公司（Focuslight Technologies）的Hauschild 表示。

“LED和激光与微光学的结合已经改变了我们的生活，并将成为解决我们未来将面临的许多挑战的解决方案之一。而且，它也许是将这颗星球保持良好状态以供后代居住所需的工具之一。”

文章参考：Shrinking Optics Heighten a Focus on Manufacturing and Metrology | Features | Jan 2025 | Photonics Spectra