系統微型化
適用的非圓形
光學元件

縮減尺寸：截削透鏡，縮小系統

多數人談到透鏡，都會直覺想到傳統對稱的圓形透鏡，如此成見其來有自：透鏡製造過去多仰賴這種對稱特性，才能精準調整球面和非球面透鏡的形狀並拋光。在光學機械設計中，有了輻射對稱這個至關重要的角色，才能輕鬆找出複雜光學系統的中心並加以對準。若要觀察這類被動的對準程序，最好的對象就是顯微鏡物鏡或高階相機鏡頭中鏡筒內透鏡的排列方式。在這兩種物件中，透鏡和間隔環會在鏡筒內自動對準中心，大幅減少製造時間與成本，同時具備優異的機械穩定性 (圖 1)。

圖 1：在一般光學組件中，傳統圓形對稱透鏡會自動對齊圓形間隔環和固定環，簡化組裝及對準作業

只是隨著技術趨勢持續朝更小、更精巧的裝置發展，整個封裝內不一定有空間置入過多材料，例如機械接環或多餘的玻璃。有鑑於此，許多現代光電組件封裝的設計，均善用能夠扁平安裝在平台上的截削或方形光學元件，因此無須圓形或 V 型槽接環 (圖 2)，許多光電技術都使用這些元件，尤其是電信技術中的多工器和放大器。不過為了讓說明簡單扼要，以下我們將聚焦於兩個物件當作例子：微型分光儀和光纖耦合二極體雷射。

圖 2：對於許多空間受限的光電應用而言，方形或截削光學元件的重要性與日俱增

微型分光儀內的截削反射鏡

現今微型分光儀內最常見的光學設計就是 Czerny-Turner 結構，在此結構中，光線從入口進入後會經過一個小凹面鏡，再平行直射至繞射光柵上 (圖 3)。光線入射繞射光柵時，各種波長的光會沿著與平台平行的光軸散射，但仍維持平行路線，所以必須採用直徑相對較大的對焦反射鏡，才能將大量狹縫影像聚焦在分光儀的線性偵測器陣列，但這僅適用單一光軸。因此，常見作法是截削較大的圓形反射鏡，切掉上層與底層，才能齊平安裝在平台上，大幅降低整個系統的高度。

圖 3：運用兩個截削對焦反射鏡的 Czerny-Turner 分光儀示意圖

在部分新型的微型分光儀設計中，甚至進一步將這些截削反射鏡融入採用微機電系統 (MEMS) 的空間光調變器中，而不使用繞射光柵。MEMS 技術讓光學元件的尺寸進一步縮小，偵測器陣列也可替換為單元件光電二極體，減少分光儀整體體積，有時更可縮小至如橡皮擦般大小。分光儀若要實現如此精巧的設計，視準和對焦反射鏡就必須加以截削，才能製造出平坦邊緣來進行表面安裝。此時，就要採用「取放」式精密定位系統來對準這兩個反射鏡，之後再用樹脂固定。我們會在後續章節進一步討論精密定位。

光纖耦合二極體雷射內的方形透鏡

雖然雷射二極體常用的雷射封裝有數十種，但 14 針腳蝶形封裝已經成為高性能光纖耦合二極體雷射最常遵循的業界標準。由於這種封裝，整合式熱電冷卻器 (TEC) 上方可安裝通用平台，進而提供優異的熱電穩定性。這些平台的尺寸通常小於 8mm x 15mm，製造材料包括熱膨脹係數 (CTE) 與玻璃相當的鎢銅合金。CTE 相當代表雷射二極體的作業溫度範圍寬廣，各種溫度均不會損壞封裝內的光學元件，也不會使之無法對準。然而，由於傳統圓形微型光學元件、矽 V 型槽或金屬轉卡口的 CTE 不相當，因此會導致性能不穩定，更會縮減封裝內本就受限的空間，同時對準能力也會大幅惡化。目前雷射二極體封裝趨勢是要善用方形或矩形微型透鏡，這兩者均可直接黏著在平台上，或由第二片玻璃支撐，亦即無縫安裝流程。這些透鏡的可靠性極為出色，封裝體積極小，可實現微米以下的精確對準作業。

圖 4：採用非圓形光學元件的 14 針腳蝶形雷射二極體

經過訓練的操作人員運用這些尺寸通常介於 1-3mm 的方形光學元件，即可在精密定位平台上主動瞄準光學元件。這些平台包含真空拾取工具，而當方形光學元件上方或側邊緊貼平台時，通常可有五個自由度的空間可對準。同時，雷射輸出也是即時監控。若操作人員嘗試藉由圓形光學元件執行相同任務，而非使用方形元件，那就需要將透鏡安裝入方形或矩形透鏡支撐架，大幅增加整體體積，同時壓縮封裝內可置入的光學元件最大數量。

常見的光纖耦合 14 針腳蝶型封裝中，有時需要多達三種不同透鏡，才能提升耦合效率和穩定性。多數高階雷射二極體使用兩個交叉非柱面方形微透鏡，藉以補償雷射二極體快慢軸發散角度的差異。第一個透鏡 (亦即快軸準直 FAC 透鏡) 必須具備高數值孔徑，焦距則通常約為 500µm，因為發光孔徑小，發散角度通常約為 25 度。慢軸則視二極體為單模或多模，其發散角度較快軸低 3 至 5 倍。因此，為了將光束變為圓形，慢軸準直 (SAC) 透鏡的焦距必須遠大於 FAC 透鏡。視二極體基板之尺寸，這些元件很可能佔據平台可用空間的三分之一，突顯善用方形微光學元件 (而非圓形元件) 的重要性。光束經過平行化後，就必須使用第三個方形透鏡 (通常為非球面透鏡) 將光線耦合進光纖。如同準直步驟會監控光束輪廓和發散角度，光纖耦合程序也會受到主動監控，以確保最大的輸出功率。部分單模光纖耦合雷射可能也可測得極化消光比。使用低功率雷射的雷射二極體系統易受價格變化影響，因此通常會使用單一球面或非球面透鏡，而非使用一對柱面 FAC 及 SAC 透鏡。

圖 5：通常使用兩個柱面透鏡，將雷射二極體輸出變為圓形。濾光片和其他光學元件可插入 SAC 透鏡和耦合透鏡間平行的光束路徑

客製非圓形光學元件

此處僅提供現代光電裝置可運用非圓形光學元件的兩個範例。若裝置封裝尺寸持續縮小，方形和截削透鏡與反射鏡將更為炙手可熱。目前雖然有一些這類現成的光學元件，但也必須理解，這些產品大多需要客製。雖然愛特蒙特光學® (EO) 製造的非圓形光學元件未縮小到 1-3mm，但我們提供各種現成可用的標準柱面透鏡，同時包含方形輪廓和 截削光學元件 等客製服務。這些服務非常適合尺寸和重量須精打細算的應用。 請聯絡我們，與我們討論截削和柱面光學元件等需求，以及大批製造的自訂尺寸。