第28期“见微知著”培训课程：微光学元件核心技术
2020-09-26 21:47:35   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

主办单位：麦姆斯咨询

协办单位：上海传感信息科技有限公司、华强电子网

一、课程简介

微光学（Micro-optics）概念最初形成于上世纪八十年代初，是研究微米级和纳米级特征尺寸的光学元件的设计、制造，以及利用这类元件实现光波的发射、传输、变换和接收的理论和技术的新学科。微光学元件（Micro-optics elements）通常由微米级和纳米级结构组成，包括以反射型微光学元件、折射型微光学元件、衍射型微光学元件、光波导为代表的被动元件和以LED/激光器、光电探测器、光强和相位调制器为代表的主动元件。

微光学与微机械、微电子互相渗透，彼此融合，产生微光机电系统（MOEMS）。MOEMS在2000年走向繁荣的开端，但随着互联网泡沫的破灭，辉煌史暂时告一段落。近年来，消费电子及汽车电子领域的成像需求日益增强，带动了微光学技术进步，以MEMS微镜为代表的MOEMS产业化也随之展现出勃勃生机！

一种可用于投影和传感的MEMS微镜

在智能手机应用中，各种成像技术成为微光学产业发展的“积极分子”，并促进晶圆级光学元件（Wafer Level Optics，WLO）的发展。透镜、扩散片（Diffuser）、衍射光学元件（DOE）、自动对焦执行器（AF）、光学图像稳定器（OIS）等产品在近十五年期间获得了众多关注和投资。如今，智能手机3D成像和传感应用（如人脸识别、手势识别、增强现实）提供了新的发展机遇，微光学元件市场将保持高速增长势头。

微光学元件：智能手机3D摄像头模组中的核心元件之一

（来源：《飞行时间（ToF）传感器技术及应用-2020版》）

微光学元件的另一项重要应用是增强现实（AR）设备。意外爆发的新型冠状病毒肺炎（COVID-19）限制了社交接触，因此虚拟社交、线上会议及远程办公正成为新常态。曾经被视为前卫技术的AR，或许会因此而加快商业化脚步。全球多家知名智能手机厂商（如苹果、华为、三星、OPPO、vivo等）都在布局AR智能眼镜，试图在这一新兴的赛道上再次发力。AR智能眼镜先以智能手机“周边产品”的角色出现，而未来则有望“喧宾夺主”——直接取代智能手机。以光波导为代表的近眼显示技术是AR智能眼镜的核心，掌握了近眼显示技术，就抢到了进入AR智能眼镜市场50%的门票。

AR智能眼镜应用示意图

全球AR光波导技术领导者Digilens波导结构

相关报告：《AR/VR/MR光学元件和显示器-2020版》

汽车也将从微光学元件的发展中从获益，主要有两大类典型应用：一类是高级驾驶辅助系统（ADAS）和自动驾驶中的激光雷达（LiDAR），涉及MEMS微镜、光学相控阵（OPA）芯片和硅基液晶（LCOS）等光束操纵元件，目前基于MEMS微镜的激光雷达有望率先落地量产；另一类是自适应前照明系统（AFLS），通过数字微镜器件（DMD）等光学元件帮助车辆针对道路状况和迎面驶来的车辆调整照射光束从而提高安全性。展望未来，AFLS可与ADAS结合，在特定位置（如交通标志）投射适量的光线，帮助驾驶员清楚识别标志，也可以提供信号或标志给行人，从而增强车与行人之间的通信……

一种基于MEMS微镜的激光雷达架构

奔驰S级轿车的先进数字大灯利用数字微镜器件实现图像投影

走进微纳光学世界，领略光学应用风采！麦姆斯咨询为您准备了微光学元件的知识盛宴，课程内容包括：（1）微纳光学理论基础；（2）微光学元件制造工艺，包括其传统集成电路制造技术、无掩模直写制造技术和特殊制造工艺等；（3）典型微光学元件设计、制造、测试、评价参数和应用案例，包括：反射型微光学元件（MEMS微镜）、衍射型微光学元件（DOE）、导波微光学元件、光学相控阵（OPA）、超表面等元件的技术详解，以及基于上述元件产生的诸多新兴应用案例分析（如激光雷达、3D摄像头、AR智能眼镜、近眼显示、全息显示……）；（4）微光学元件建模与仿真分析。

二、培训对象

本课程主要面向对微光学元件产业链上下游（材料和设备、设计、制造、封装、测试）厂商，以及微光学元件应用（3D摄像头、激光雷达、近眼显示、全息显示等）厂商的技术人员和管理人员、高校师生，同时也欢迎其他希望了解微光学元件的非技术背景人员参加，如销售和市场人员、投融资机构人员、政府管理人员等。

三、培训时间

2020年11月6日~11月8日，总计3天。

授课结束后，为学员颁发麦姆斯咨询的结业证书。

四、培训地点

无锡市（具体地点以培训前一周的邮件通知为准）

五、课程内容

课程一：微纳光学理论基础

讲师：华中科技大学 副教授 易飞

光学是人类最古老的研究领域之一，微纳光学作为其中的重要分支，则较为年轻且活力十足。微纳光学结合了光子学与微纳米技术的前沿成果，主要优点是能在局域电磁相互作用的基础上实现许多全新的功能，成为21世纪国家不可或缺的关键科学和技术。微纳光学也是目前新型光电子产业的重要发展方向，在光通信、光互联、光存储、传感成像、传感测量、激光显示等领域起到不可替代的作用。因此，让我们先打牢基础，从学习微纳光学理论基础开始吧！

课程大纲：
（1）微纳光学定义、发展历程及意义；
（2）经典光学主要分支：几何光学、波动光学和量子光学；
（3）几何光学基础知识：直线传播定律、独立传播定律、折射定律、反射定律；
（4）波动光学基础知识：电磁理论（麦克斯韦方程组）、光的传播规律（干涉、衍射、偏振）、电磁波的基本类型（平面波、球面波、高斯光束等）、光与物质的相互作用（吸收、色散、散射等）；
（5）光的干涉：现象及原理，光的相干特性，由多层膜制成的光学元件的特点；
（6）光的衍射：现象及原理，菲涅耳衍射、夫琅和费衍射，光学全息；
（7）光的偏振性：现象及原理，偏振态的表达方式，偏振器件；
（8）近代光学介绍：纳米光学及应用前景。

课程二：微光学元件制造工艺

讲师：青岛天仁微纳科技有限责任公司 董事长 冀然

微纳制造工艺让传统的大尺寸光学元件转变为微型化、阵列化、集成化及具有任意波面变换等新功能的光学元件成为可能。微光学元件最初采用传统集成电路制造工艺，随着其特殊结构的需求，出现了一些专有制造工艺，例如激光直写法、溶胶-凝胶法、纳米压印法。通过本课程学习，您将全面了解微光学元件制造工艺的发展历程、实现方法，以及不同制造工艺的优缺点。

课程大纲：
（1）微光学元件与微电子元件（集成电路）制造工艺的主要差异；
（2）微光学元件制造的衬底材料（如硅、玻璃、石英、聚合物）及特性分析；
（3）微光学元件制造的单项工艺：图形产生（掩模版制作）、薄膜沉积、光刻（涂胶、对准及曝光）、图形转移（刻蚀、直写、复制）、键合、组装等；
（4）用于微光学元件的传统集成电路制造技术——掩模套刻制造技术：减法工艺（台阶刻蚀法）、加法工艺（薄膜沉积法）的工艺流程、优缺点分析；
（5）用于微光学元件的无掩模直写制造技术：激光直写法、电子束直写法、金刚石车削法的制造流程、优缺点分析；
（6）其它用于微光学元件的特殊制造工艺：如灰阶掩模法、溶胶-凝胶法、热熔法、准分子激光加工法、纳米压印法的制造流程、优缺点分析；
（7）微光学元件制造过程的常见问题，关键控制参数及其检查和量测方式。

课程三：衍射光学元件（DOE）

讲师：北京驭光科技发展有限公司 董事长兼CEO 田克汉

光的衍射是指光遇到障碍物时偏离原来直线传播的物理现象。衍射光学元件（DOE）通常采用微纳制造工艺构成二维分布的衍射单元，每个衍射单元可以有特定的形貌、折射率等，能够对光束进行分束、匀束、准直、偏离等各种操纵，近些年来广泛应用于3D摄像头、激光雷达、增强现实（AR）、混合现实（MR）等领域。本课程将带领学员们深入学习DOE的核心技术及应用！

课程大纲：
（1）衍射型微光学元件定义及典型产品；
（2）从折射透镜到衍射光学元件的演变历程，以及两者的关系；
（3）衍射光学元件设计的理论模型（标量衍射、矢量衍射等）和常用算法（局部算法、全局算法、混合算法等）介绍；
（4）衍射光学元件（DOE）工作原理、设计、制造流程、评价参数，以及典型应用案例分析；
（5）衍射型微光学元件的阵列化：微透镜阵列（MLA）的工作原理、设计、制造流程、评价参数，以及典型应用案例分析；
（6）衍射型微光学元件的集成化：多元件集成微光学系统（与光源、光电探测器集成）的工作原理、设计、制造流程、评价参数，以及典型应用案例分析；
（7）衍射型微光学元件产业链及主要供应商。

课程四：光学相控阵（OPA）

讲师：华中科技大学 副教授 黄庆忠

光学相控阵（OPA）的概念来源于传统微波相控阵，但以工作在光波段的激光作为信息载体，因此不受无线电波的干扰。OPA技术在业界的升温，主要归功于汽车激光雷达产业热潮的到来。作为一种光束操纵元件，OPA芯片能够帮助激光雷达（LiDAR）实现全固态化并获得更高的可靠性，因此受到广泛关注。本次课程将为学员们分析OPA工作原理、实现方式及典型应用案例。

课程大纲：
（1）主动微光学元件的定义及代表器件（LED、激光二极管、光电探测器、相位及光强调制器等）；
（2）OPA技术发展历史、工作原理、主要类型（如硅光OPA、MEMS OPA、液晶OPA、砷化镓/铝镓砷OPA等）及优劣势分析；
（3）OPA芯片设计、制造、评价参数，以及相关应用案例分析；
（4）OPA芯片主要应用及商业化进展（激光雷达、光通信、光学相干断层扫描、3D建模等）。

课程五：光波导元件

讲师：华中科技大学 副教授 黄庆忠

光波导是引导光波在其中传播的介质装置，又称介质光波导。光波导有两大类：一类是集成光波导，包括平面（薄膜）介质光波导和条形介质光波导；另一类是圆柱形光波导，通常称为光纤。光波导因其轻薄和外界光线的高穿透特性而被认为是消费级增强现实（AR）智能眼镜的必选光学方案，但是又因其价格高和技术门槛高让人望而却步。本次课程将从导波光学基本概念出发，带您深入学习光波导元件及应用。

课程大纲：
（1）导波光学基本概念：光波导、光子学、光电子学；
（2）光波导理论：光在波导中的传输原理、电磁场分析和射线分析、耦合理论；
（3）典型光波导元件工作原理及应用案例，如光波导宽带光调制器、光波导开关、光波导频谱分析器等；
（4）光波导元件新兴应用案例，如智能眼镜近眼显示及全息显示；
（5）光波导技术发展趋势。

课程六：MEMS微镜

讲师：西北工业大学 教授 乔大勇

光的反射是指光在传播到不同物质时，在分界面上改变传播方向又返回原来物质中的现象。MEMS微镜指采用MEMS制造技术，把微光反射镜与MEMS驱动器集成在一起的光学器件。它是反射型微光学元件的典型代表，在微投影仪、机器视觉、激光雷达、汽车智能前灯等应用扮演着重要角色。此外，基于MEMS技术的光学自适应微镜还有很多“高大上”的应用。本次课程，讲师将带您揭秘反射型微光学元件技术及应用案例！

课程大纲：
（1）反射型微光学元件的定义及典型产品（平面微镜、非平面微镜）；
（2）MEMS微镜驱动原理：静电驱动、电磁驱动、压电驱动和电热驱动；
（3）MEMS微镜设计、制造流程、评价参数，以及相关应用案例（如机器视觉、激光雷达、3D成像和传感等）分析；
（4）基于MEMS技术的光学自适应微镜工作原理；
（5）光学自适应微镜设计、制造流程、评价参数，以及相关应用案例（如校正波前畸变、调焦等）分析；
（6）反射型微光学元件产业链及主要供应商。

课程七：超表面光场调控和全息显示

讲师：北京理工大学 教授 黄玲玲

超表面是一种基于亚波长结构的功能膜层器件，也称为超构表面或二维超构材料，具有亚波长尺度相位、振幅、偏振任意调控，轻薄、易集成、低损耗、表面可共形设计等诸多优点，因而受到广泛关注。超表面提供了光场调控的新方法和新机理，在波前整形、隐身斗篷、增强现实（AR）以及全息防伪等领域展现出了独特的应用前景，能够极大程度上解决当前传统光学元件（如几何光学元件或衍射光学元件）所面临的瓶颈挑战，并拓展出更多功能的新兴应用。特别是，随着3D传感技术的成熟，3D数据唾手可及，那么3D显示技术路在何方？也许全息显示是一种终极的3D显示技术！本课程介绍超表面发展历程，以及超表面在光场调控和全息显示方面的应用案例，并做出技术与应用展望。

课程大纲：
（1）从几何光学、衍射光学到平面光学；
（2）超表面发展历程及意义；
（3）超表面光场调控介绍：相位、振幅、偏振、角动量调控等；
（4）全息显示技术原理、类型及发展趋势；
（5）超表面全息显示应用案例；
（6）超表面技术与应用展望。

课程八：微光学元件建模与仿真分析

讲师：COMSOL中国 资深应用工程师 钟振红

仿真软件可以帮助研发人员根据实验数据和理论来验证光学器件及系统的设计。COMSOL Multiphysics®是一款功能强大的多物理场仿真软件，服务于仿真模拟工程、制造和科研等各个领域的设计。借助该软件，用户可以综合研究各种物理现象对光学结构的影响，进而可以优化光学器件。本次课程，讲师选取衍射光学元件（DOE）为主要讲解案例，带领学员们进行实操演练。

课程大纲：
（1）COMSOL Multiphysics特征功能及微光学元件仿真分析特点；
（2）COMSOL Multiphysics波动光学模块分析微光学元件综述；
（3）COMSOL Multiphysics微光学元件建模及多物理场耦合分析案例——以DOE设计为例；
（4）COMSOL Multiphysics APP在微光学元件中应用——DOE设计流程化拓展；
（5）COMSOL Multiphysics在其它微光学元件仿真方面的展示。

六、师资介绍

易飞，麦姆斯咨询2019年度“最受欢迎讲师”，博士，华中科技大学光电信息学院副教授，主要从事人工光学微结构及其相关器件的研究，例如下一代红外探测器与新型传感器芯片、面向微波光子学与片上高速光互联的光子集成芯片等。他于2011年获得美国芝加哥西北大学电子工程与计算机科学系博士学位，曾作为访问学者工作于新加坡科技局数据存储研究中心，后于美国费城宾夕法尼亚大学材料科学与工程学系从事博士后研究。他先后主持国家自然科学基金青年项目“面向气体传感的多波长窄带红外探测器研究”、深圳市科技创新委员会基础研究项目“像元级集成光学信息处理功能的高性能红外探测器芯片研究”，目前正在主持国家自然科学基金面上项目“超表面双色偏振热探测器研究”，并多次参与过美国自然科学基金（NSF）和美国国防部高等研究项目局（DARPA）的研究项目。他迄今发表SCI收录论文26篇，发表会议论文19篇，其中高影响力论文5篇；Web of Science他引230次；已授权美国专利2项，申请国内专利2项并出版过专著；并在CLEO、OFC、SPIE Photonics West等国际光学会议上口头报告13余次。

冀然，博士，青岛天仁微纳科技有限责任公司董事长、创始人。他拥有德国亚琛工业大学硕士学位和德国马普微结构物理所博士学位，师从欧洲纳米压印之父Kurz教授开创了纳米压印设备和材料的商用领域，在纳米压印和微纳加工领域拥有二十年经验。博士毕业后在德国半导体设备上市公司负责纳米压印设备开发和产业化推广，担任纳米压印技术首席科学家。2015年归国创办青岛天仁微纳科技有限责任公司，经过短短几年的时间发展，公司的纳米压印设备和全套解决方案打败国际诸多竞争对手，占领国内微纳光学和生物芯片生产的超过90%市场份额。

田克汉，麦姆斯咨询2019年度“最受欢迎讲师”，拥有清华大学精密仪器系本科及硕士学位，美国麻省理工学院博士学位。他是驭光科技创始人、任董事长兼CEO，负责整体战略以及技术开发。创立驭光科技前，他在IBM工作9年，担任（教授级）资深科学家/技术经理，拥有60余项发明专利，荣获杭州市“521”计划人才。

黄庆忠，2004年毕业于浙江大学信息与电子工程学系，获得学士学位，2009年毕业于中国科学院半导体研究所，获得博士学位，主要研究领域包括硅基光子器件、纳米光子学、非线性光学、集成光学微腔。2009年进入华中科技大学光电国家实验室博士后流动站，出站后留校任讲师、副教授。主持两项国家自然科学基金项目、一项国防自主创新项目、一项中国博士后面上基金项目，以及一项国家重点实验室开放课题，参与一项863项目、两项国家自然科学基金重点项目，以及多项国家自然科学基金面上项目。他在国内外本领域权威期刊和国际会议上发表学术论文60余篇，其中SCI收录论文40余篇。

乔大勇，麦姆斯咨询2019年度“最受欢迎讲师”，博士，西北工业大学博士生导师、教授，知微传感董事长兼创始人，连续创业者，曾作为联合创始人及总经理运营西安励德微系统科技有限公司，微机电系统（MEMS）领域资深专家。他先后主持包括国家自然科学基金和863计划在内的科研项目14项，主要研究方向和研究内容包括：微光机电系统、微型能源、微纳制造工艺。在西北工业大学博士出版“十一五”国家级规划教材1部，在国内外重要学术刊物上共发表研究论文80余篇，被SCI、EI收录50余篇，获得已授权发明专利20项。

黄玲玲，博士，北京理工大学博士生导师、教授，入选教育部青年长江学者、北京市卓越青年科学家、北京市科技新星、中国科协青年人才托举计划、教育部霍英东高校教师基金等计划。她长期在微纳光学、衍射光学及全息领域从事教学和科研工作，主要研究方向包括新型微纳光学元器件物理机制及功能应用、光场调控、全息显示等方面。她主持10余项国家级和省部级项目，包括科技部重点研发计划课题、国家自然科学基金国际合作项目、面上项目、北京市卓越青年科学家项目等。她在Nature Communication、Advanced Materials、Nano Letters、Light: Science & Applications、Laser Photonics & Review等国际顶级期刊发表SCI论文40余篇，受邀做学术会议特邀报告15次（任分会主席3次），申报发明专利近20项，编辑出版学术专著1本。

钟振红，麦姆斯咨询2019年度“最受欢迎讲师”，COMSOL中国应用工程师。他毕业于复旦大学力学系理论与应用力学专业，长期负责COMSOL MEMS、光学及声学行业的技术支持和客户咨询，拥有十余年COMSOL仿真经验，研究内容主要涉及MEMS和传感器、光学器件、声学器件、压电换能器以及AC/DC等领域。

七、培训费用和报名方式咨询

请发送电子邮件至PENGLin@MEMSConsulting.com或GUOLei@MEMSConsulting.com，邮件题目格式为：培训报名+微光学元件+单位简称+人数。

麦姆斯咨询
联系人：彭琳
电话：17368357393
E-mail：PENGLin@MEMSConsulting.com

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电话：13914101112
E-mail：GUOLei@MEMSConsulting.com