超精密機(jī)械加工技術(shù)作為微光學(xué)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(jī)械加工技術(shù)的發(fā)展，展望了其在微光學(xué)元件加工中的應(yīng)用潛力。

　　1微光學(xué)概述

　　1.1定義與名稱

　　微光學(xué)是一門屬于多門前沿學(xué)科交叉領(lǐng)域的新興科學(xué)。微光學(xué)借助于微電子工業(yè)技術(shù)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(yīng)用前途。微光學(xué)元件（MOC），指面形精度可達(dá)亞微米級，表面粗糙度可達(dá)納米級的自由光學(xué)曲面及微結(jié)構(gòu)光學(xué)元件。自由光學(xué)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?fù)湫螤?，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(xué)設(shè)計者優(yōu)化光學(xué)系統(tǒng)，減輕重量，縮小體積。典型微光學(xué)元件如全息透鏡、衍射光學(xué)元件（DOE）和梯度折射率透鏡等，將這些微光學(xué)元件應(yīng)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(xué)元件的應(yīng)用

　　微光學(xué)元件是制造小型光電子系統(tǒng)的關(guān)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(xué)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(yīng)用領(lǐng)域中，無論是現(xiàn)代國防科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，還是普通的工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)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(dǎo)彈引導(dǎo)頭和各種變焦鏡頭，均已在不同程度上采用了非球面光學(xué)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(yīng)用到各種光電成像系統(tǒng)中。如飛機(jī)中提供飛行信息的顯示系統(tǒng)；攝像機(jī)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(jìn)鏡片等。微結(jié)構(gòu)光學(xué)元件應(yīng)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(xué)元件在很多我們?nèi)粘Ｊ褂玫漠a(chǎn)品中都有應(yīng)用，比如手機(jī)、掌上電腦、CD和DVD等。

　　1.3微光學(xué)元件加工方法

　　由于受應(yīng)用需求的驅(qū)動，對微光學(xué)元件加工技術(shù)的研究也在不斷深入，出現(xiàn)了多種現(xiàn)代加工技術(shù)，如電子束寫技術(shù)、激光束寫技術(shù)、光刻技術(shù)、蝕刻技術(shù)、LIGA技術(shù)，復(fù)制技術(shù)和鍍膜技術(shù)等，其中最為成熟的技術(shù)是蝕刻技術(shù)和LIGA技術(shù)。這些技術(shù)基本都是從微電子元器件的微細(xì)加工技術(shù)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(xué)元件來說是至關(guān)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(shù)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(shù)，雖然可以實現(xiàn)準(zhǔn)三維加工，但易使材料產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，影響最終的機(jī)械性能，且設(shè)備造價非常昂貴；LIGA技術(shù)利用的高準(zhǔn)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(shè)備還要高許多，一般實驗室和企業(yè)都很難負(fù)擔(dān)得起；電子束寫技術(shù)能夠加工納米級的精密結(jié)構(gòu)，但效率低，難以進(jìn)行批量生產(chǎn)。復(fù)制技術(shù)，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(shù)，但要求其模具具有較高精度和耐用性。

　　微光學(xué)元件的另一加工方法是超精密機(jī)械加工技術(shù)。最近“財富”雜志上有這樣一句話：“超精密加工技術(shù)對光學(xué)元件的作用猶如當(dāng)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(jī)械加工技術(shù)進(jìn)行微光學(xué)元件的加工已經(jīng)引起人們極大的重視。超精密機(jī)械加工技術(shù)在微光學(xué)元件加工中的應(yīng)用將在下一節(jié)詳細(xì)論述。