高精度微棱镜: 如何兼顾高效批量生产、高精度、高一致性？

王建军

炬光科技激光光学事业部 光学冷加工工艺高级工程师

棱镜是一种由两两相交但彼此均不平行的平面围成的物体，用以分光或使光束发生色散，通常由透明材料（如玻璃、水晶等）做成。现代生活中，棱镜被广泛应用于通信、数码设备、科学技术、医疗仪器等领域，例如近来发展迅速的光通讯和投影显示行业，就需要使用棱镜实现光的折转、耦合等功能。光纤和激光器的口径较小，微棱镜（<2mm）可使设备空间与传统设备相比节省55%。这个优势使得微棱镜的应用场景越来越广泛，手机潜望式摄像头、家用投影仪等消费电子设备中已不乏微棱镜的身影。       

光通讯应用微棱镜使用示意图（左）投影应用微棱镜使用示意图（右）（图片来自网络）

潜望式摄像头（该图来自网络）

上述各个应用对微棱镜的面型和光洁度要求较高，通常要求面型在λ/4-λ/10。在普通棱镜的生产中，厂商多采用传统研磨抛光方式来加工光学面，但这一工艺在微棱镜的生产中面临着巨大挑战。虽然部分厂家可以借助先进的切割方式制造出各种长度尺寸的微棱镜，但光学面尚无更好的加工方式实现大批量、高精度生产，暂无经济的方法满足市场的巨大需求。

传统的研磨抛光方式加工光学面，基本都需要利用靠体及光胶技术来实现。这种方式制作流程较长，且在产品加工过程中会消耗大量靠体，导致整体生产成本较高，效率较低。该工艺对操作人员的技术水平要求也较高，企业所需的人员培训成本也随之增加；如人员流动较快，可能会造成产品一致性差、质量不稳定等问题。

炬光科技利用自有的晶圆级同步结构化工艺平台进行微棱镜产品的加工，结合先进的激光隐切技术和数控技术、高精度和高可靠性微纳测量技术，实现确保技术指标的前提下，大大提高生产效率，降低生产成本。

1. 晶圆级同步结构化微纳光学制备技术

炬光科技晶圆级同步结构化技术（温馨提示：全屏观看效果更佳）

炬光科技采用晶圆级同步结构化技术制备微纳光学器件，材料可选玻璃、熔融石英、硅、氟化钙等各种无机材料，可生产最大300mm x 300mm的微光学晶圆，仅需两步工艺就能实现数以万计高品质微光学透镜的生产，这项生产技术可扩展性强，且具有非常高的成本效益，适合超大批量生产。该生产技术独特的性能和成本优势已经在光纤激光器泵浦应用中得到了充分的体现：作为全球快轴准直镜（FAC）的主要供应商，炬光科技为光纤激光器泵浦应用提供核心元器件——快轴准直镜（FAC），年出货量超过1800万只。

2.利用晶圆级同步结构化技术批量生产高精度微棱镜

棱镜微光学晶圆

过去，晶圆级同步结构化技术更多地应用于柱面镜的生产制备，当这一技术创新地应用于微棱镜的生产制备时，不仅能够在大尺寸光学晶圆上（如300mm X 300mm）加工同周期或变周期的微型棱镜单元，具有优异的一致性和极高的加工效率，并可确保角精度和面型精度。 此种加工方式效率比传统研磨抛光工艺效率提升10倍以上，且产品一致性高，精度满足众多行业要求，有效解决行业痛点。

例如，在光通讯领域，公司根据客户需求，在同一微光学晶圆上同时制备3个及以上面型的微棱镜及异形镜（示例如下），各角度公差控制在±0.01°，光学有效区PV<0.16um。我们相信，利用晶圆级同步结构化技术批量生产的高精度微棱镜，将有潜力拓展至更多、更新的应用领域。

微棱镜及异形镜

炬光科技深耕光学元件30年，在微纳光学领域不仅拥有世界独一无二的晶圆级同步结构化技术，同时广泛布局精密模压、冷加工、注塑、纳米压印等针对无机材料光学、有机高分子材料光学的各类制备技术，结合自研高损伤阈值光学镀膜能力，旨在成为向客户提供一站式光学元器件解决方案的供应商。

炬光科技光学元器件产品系列

作者简介：

王建军，1988年毕业于长春理工大（原长春光学精密机械学院）光学工艺及测试专业，从事光学加工工艺35年，对光学加工行业技术广泛了解。2021年加入炬光科技，主导了冷加工产线的建设和产品生产。