超精密機械加工技術作為微光學元件的一種制造方法，具有很多其他傳統(tǒng)方法所不具有的優(yōu)點。本文回顧了超精密機械加工技術的發(fā)展，展望了其在微光學元件加工中的應用潛力。

　　1微光學概述

　　1.1定義與名稱

　　微光學是一門屬于多門前沿學科交叉領域的新興科學。微光學借助于微電子工業(yè)技術的最新研究成果，是國際上最前沿研究方向之一，并具有廣泛的應用前途。微光學元件（MOC），指面形精度可達亞微米級，表面粗糙度可達納米級的自由光學曲面及微結(jié)構(gòu)光學元件。自由光學曲面包括有回轉(zhuǎn)軸的回轉(zhuǎn)非球面（如拋物面、漸開面等），和沒有任何對稱軸的非回轉(zhuǎn)非球面，如Zernike像差方程曲面。微結(jié)構(gòu)是指具有特定功能的微小表面拓撲形狀，如凹槽、微透鏡陣列等，如圖1所示（圖1略）的微金字塔結(jié)構(gòu)表面。這些結(jié)構(gòu)決定了對光線的反射，透射或衍射性能，便于光學設計者優(yōu)化光學系統(tǒng)，減輕重量，縮小體積。典型微光學元件如全息透鏡、衍射光學元件（DOE）和梯度折射率透鏡等，將這些微光學元件應用在各種光電子儀器中，可以使光電子儀器及其零部件更加小型化、陣列化和集成化。

　　1.2微光學元件的應用

　　微光學元件是制造小型光電子系統(tǒng)的關鍵元件，它具有體積小、質(zhì)量輕、造價低等優(yōu)點，并且能夠?qū)崿F(xiàn)普通光學元件難以實現(xiàn)的微小、陣列、集成、成像和波面轉(zhuǎn)換等新功能。隨著系統(tǒng)小型化不斷的成為一種趨勢，幾乎在所有的工程應用領域中，無論是現(xiàn)代國防科學技術領域，還是普通的工業(yè)領域的應用前景。軍用方面，西方國家在70年代以后研制和生產(chǎn)的軍用光電系統(tǒng)，如軍用激光裝置、熱成像裝置、微光夜視頭盔、紅外掃描裝置、導彈引導頭和各種變焦鏡頭，均已在不同程度上采用了非球面光學零件。在一般民用光電系統(tǒng)方面，自由非球面零件可以大量地應用到各種光電成像系統(tǒng)中。如飛機中提供飛行信息的顯示系統(tǒng)；攝像機的取景器、變焦鏡頭；紅外廣角地平儀中的鍺透鏡；錄像、錄音用顯微物鏡讀出頭；醫(yī)療診斷用的間接眼底鏡，內(nèi)窺鏡，漸進鏡片等。微結(jié)構(gòu)光學元件應用更是廣泛，如光纖連接器中的微槽結(jié)構(gòu)，液晶顯示屏的微透鏡陣列，及用于激光掃描的F-theta鏡片，激光頭的分光器等，這些微結(jié)構(gòu)光學元件在很多我們?nèi)粘Ｊ褂玫漠a(chǎn)品中都有應用，比如手機、掌上電腦、CD和DVD等。

　　1.3微光學元件加工方法

　　由于受應用需求的驅(qū)動，對微光學元件加工技術的研究也在不斷深入，出現(xiàn)了多種現(xiàn)代加工技術，如電子束寫技術、激光束寫技術、光刻技術、蝕刻技術、LIGA技術，復制技術和鍍膜技術等，其中最為成熟的技術是蝕刻技術和LIGA技術。這些技術基本都是從微電子元器件的微細加工技術發(fā)展而來，但與電子原件不同，三維成型精度和裝配精度對光學元件來說是至關重要的，將會直接影響其性能，因此這些方法各自都有它自身的缺陷和使用的局限性。如由于視場深度的限制，光刻技術僅限于二微結(jié)構(gòu)和小深寬比三維結(jié)構(gòu)的加工；采用犧牲層蝕刻技術，雖然可以實現(xiàn)準三維加工，但易使材料產(chǎn)生內(nèi)應力，影響最終的機械性能，且設備造價非常昂貴；LIGA技術利用的高準直度的X射線光源，一般要通過同步輻射加速器得到，造價比光刻設備還要高許多，一般實驗室和企業(yè)都很難負擔得起；電子束寫技術能夠加工納米級的精密結(jié)構(gòu)，但效率低，難以進行批量生產(chǎn)。復制技術，包括熱壓成型法、模壓成型法和注射成型法等，是一種適于批量生產(chǎn)的低成本技術，但要求其模具具有較高精度和耐用性。

　　微光學元件的另一加工方法是超精密機械加工技術。最近“財富”雜志上有這樣一句話：“超精密加工技術對光學元件的作用猶如當初集成電路對電子元件的作用”。這句話雖然不無夸張，卻說明了用超精密機械加工技術進行微光學元件的加工已經(jīng)引起人們極大的重視。超精密機械加工技術在微光學元件加工中的應用將在下一節(jié)詳細論述。