光學陣列結構加工與檢測技術

摘要：近年來光學陣列結構的應用越來越多，特別是LED（Light-Emitting Diode，LED）燈、投影機等產品開發。然而缺乏精確、快速的量測方法，限制了製程技術的發展。本文針對光學陣列結構的製程與檢測方式進行介紹，以實際應用案例進行說明，在導入檢測驗證方法後，陣列結構的形狀精度可達到0.5μm以內。

Abstract: In recent years, the micro structure array has been applied to many kinds of optical products, for example LED (Light-Emitting Diode, LED) lamps, digital projectors, etc. The technology of this manufacturing process is limited by the accuracy of measurement and efficiency of data analysis. The machining and measurement technology for micro structure array is introduced in this paper. The form accuracy of structure array can be proved to be less than 0.5 μm by using the measuring method from application case study.

關鍵詞：超精密加工、陣列透鏡、量測

Keywords：Ultra-Precision Machining, Lens Array, Measurement

前言
光學陣列結構的應用已有相當時間，一開始是使用單一維度的結構，例如平面顯示器的微溝結構就是最典型的一維光學結構，透過V型溝槽角度與深度的設計，讓入射的光線在材料內部達到全反射的效果，進而達到導光的功效。一維結構的製作也是現有技術最成熟的部分，一般精密級的產品可以透過銑削、磨削，線切割等技術製作，超精密級以上的則可以透過鑽石鉋削、微雷射、微影蝕刻、聚焦離子束加工技術等製作。另一方面，針對大面積的光學陣列結構，如光學膜片，亦有專用的滾筒加工機來滿足產品開發需求，圖1就是利用聚焦離子束技術結合鑽石鉋削製程加工的微奈米級陣列結構，其結構深度僅有0.7 μm，可做為高解析的液晶面板元件或繞射光柵使用。

隨著製造技術的突破，二維度的結構設計也得以商品化，應用最多的同樣以平面顯示器開發最為大宗，其次是繞射元件。相較一維的陣列結構及製程工法相當類似，但新增加了多方向性的製程，因此形成二維的陣列結構，如圖2左是兩個方向的V溝結構形成的金字塔型結構，圖右是三個方向V溝加工交接成三角錐的形狀。儘管二維加工與一維加工的差異主要來自於多方向性的變化，但此一變化則直接影響到加工設備的製程範圍、加工時間（成本）、製程穩定性（長時間加工）、刀具壽命等，致使在商品化的程度不如一維結構那樣的普遍，特別是光學膜片的滾筒製作，從一維度的結構加工變成二維度的結構，就導致機台設備需要重新購置的可能，也因此二維度的結構多半應用在較小尺寸的光學產品開發上，大面積、大尺寸的商品幾乎不見其蹤影。

三維陣列結構一般以球面陣列（如圖3）或特殊曲面陣列為主。球面陣列（或非球面陣列）是最常應用在光源或照明均勻化上的設計方式，藉由陣列透鏡的設計可以將光線有效的交錯改善光源中心與邊緣強度上的落差，除此之外也同時控制光型不至於完全發散。另外一種特殊曲面陣列的設計則通常是從產品模組化或一體式設計的需求而來，其主要目地就是希望減少製造成本，包括加工、成型、組裝、檢測等，例如陣列式的太陽能聚光透鏡，其每個透鏡都是獨立的個體，分別對應到所屬的太陽能晶片，陣列的排列組合僅僅是希望能減少製作和檢測的成本，然而這也讓整合成一體後的透鏡元件規格大幅提升，因為包括成形收縮、翹曲、流痕等控制，都比單一元件時複雜許多，其它包括光纖接頭的透鏡陣列，也是類似的概念。

介於二維和三維中間的結構設計我們可稱之為2.5維的結構設計，之所以無法稱為三維結構的地方主要在於其高度方向（Z方向）只存在幾種高度變化，例如四階的光柵代表的是Z方向僅有四種高度設計，這一類似的產品以繞射元件最多，且搭配的製程也以MEMS和雷射這一類型的最為適合。本文將針對三維陣列結構的製程技術與檢測方式進行介紹。