journal-opt - abstr171-184

DOI:

Optoelektron. napìvprovìd. teh. 61, 171-184 (2026)

E.V. Beliak, O.V. Yevtushevska, Yu.I. Chehil, A.A. Kryuchyn.

COMPARATIVE ANALYSIS OF MODERN TECHNOLOGICAL APPROACHES TO FORMING MICRO-OPTICAL STRUCTURES

The paper systematizes modern approaches to the classification, formation, and industrial application of micro-optical structures. The main directions of their use in image formation and optical radiation control systems, information photonics, sensors, biophotonics, lighting engineering, and optical identification tools are considered. A multi-level classification of micro-optical elements is proposed based on their functional purpose, the type of optical field transformation, geometric complexity, and spatial organization. Focusing, diffractive, phase, polarization, waveguide, resonance, and information-coded structures are distinguished, along with planar, binary, multi-level, continuous-profile, three-dimensional, periodic, subwavelength, and integrated geometric classes.

A connection has been established between the functional purpose of elements, the complexity of their geometry, and the requirements for lateral and vertical resolution, positioning accuracy, profile reproducibility, and the possibility of further replication. The influence of geometric parameters, profile accuracy, surface quality, defects, spectral stability, and material compatibility on the choice of manufacturing technology has been analyzed. A model has been proposed for determining the average conditional cost of a unit of micro-optical products, with a breakdown of costs into total initial and average operational expenses.

The production modes for making single scientific prototypes, pilot batches, specialized series, and mass-produced products have been systematized, and it has been established that as the batch size grows, the main priorities in production shift from geometric flexibility and quick design modifications to process stability, efficiency, and minimizing unit cost. The results obtained form a unified methodological basis for the comparative evaluation of mask and maskless photolithography, direct laser writing, multiphoton fabrication, as well as nanoimprint and replication technologies for making micro-optical structures.

Keywords: micro-optical structures; photolithography; direct laser writing; diffractive optical elements; geometric complexity; production scale; cost.

PDF

References

1. Hou T., Zheng C., Bai S., Ma Q., Bridges D., Hu A., & Duley W. W. Fabrication, characterization, and applications of microlenses. Applied Optics. 2015. 54, №24. Р.7366–7376. https://doi.org/10.1364/AO.54.007366.

2. Huang Y., Qin Y., Tu P., Zhang Q., Zhao M., & Yang Z. High fill factor microlens array fabrication using direct laser writing and its application in wavefront detection. Optics Letters. 2020. 45,№16. Р.4460–4463. https://doi.org/10.1364/OL.398616.

3. Chen T., Zhou W., Cai Y., Shu Y., Zolfaghari A., & Yi A. Y. Development of a fabrication process for production of diffractive optics. Applied Optics. 2020. 62, №14. Р.3528–3534. https://doi.org/10.1364/AO.485077.

4. Yu N., & Capasso F. Flat optics with designer metasurfaces. Nature Materials.2014, 13, №2. Р.139–150. https://doi.org/10.1038/nmat3839.

5. Duan H., Li Z., Gao Q., & Liu X. Applications of electromagnetic metasurfaces in three-dimensional imaging: A review. Materials & Design. 2024.248.Р.113519. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2024.113519.

6. Hsu C.-Y., Yiu G.-Z., & Chang Y.-C. Free-space applications of silicon photonics: A review. Micromachines. 2022. 13, №7. Р.990. https://doi.org/10.3390/mi13070990.

7. Singh A. K., Mittal S., Das M., Saharia A., & Tiwari M. Optical biosensors: A decade in review. Alexandria Engineering Journal. 2023. 67.Р. 673–691. https://doi.org/10.1016/j.aej.2022. 12.040.

8. Li T., Liu G., Kong H., Yang G., Wei G., & Zhou X. Recent advances in photonic crystal-based sensors. Coordination Chemistry Reviews. 2023. 475.Р. 214909. https://doi.org/10.1016/j. ccr.2022.214909.

9. Chen S., Zhang Y., Hong X., & Li J. Technologies and applications of silicon-based micro-optical electromechanical systems: A brief review. Journal of Semiconductors. 2022. 43, №8. Р.081301. https://doi.org/10.1088/1674-4926/43/8/081301.

10. Voelkel R.Wafer-scale micro-optics fabrication. Advanced Optical Technologies. 2012. 1, №3.Р. 135–150. https://doi.org/10.1515/aot-2012-0013.

11. Wang S., Zhou Z., Li B., Wang C., & Liu, Q. Progresses on new generation laser direct writing technique. Materials Today Nano. 2021. 16. Р.100142. https://doi.org/10.1016/j.mtnano. 2021.100142.

12. Zheng J.-X., Tian K.-S., Qi J.-Y., Guo M.-R., & Liu X.-Q. Advances in fabrication of micro-optical components by femtosecond laser with etching technology. Optics & Laser Technology. 2023. 167. Р.109793. https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2023.109793.

13. Selimis A., Mironov V., & Farsari M. Direct laser writing: Principles and materials for scaffold 3D printing. Microelectronic Engineering. 2015.132. Р.83–89. https://doi.org/10.1016/j.mee. 2014.10.001.

14. Mishra S., & Yadava V. Laser beam micromachining (LBMM)—A review. Optics and Lasers in Engineering. 2015. 73. Р.89–122. https://doi.org/10.1016/j.optlaseng.2015.03.017.

15. Guo L. J. Nanoimprint lithography: Methods and material requirements. Advanced Materials. 2007. 19, №4.Р. 495–513. https://doi.org/10.1002/adma.200600882

16. Petrov V. V., Kryuchyn A. A., Beliak I. V., Manko D. Y., Kosyak I. V., & Melnik O. G. Advantages of direct laser writing for enhancing the resolution of diffractive optical element fabrication processes. Physics and Chemistry of Solid State. 2024. 25, №3. Р.587–594. https://doi.org/10.15330/pcss.25.3.587-594.

17. Kryuchyn A. A., Petrov V. V., Kosyak I. V., Shanoilo S. M., Beliak I. V., Kostyukevich S. A., Lytvyn P. M., Boltovets M. S., Strelchuk V. V., Svezhentsova K. V., Kolesnikov O. M., Korchovyi A. A., & Dzhagan V. M. Prospects for the creation of the technology of maskless photolithography based on direct laser recording. Semiconductor Physics, Quantum Electronics & Optoelectronics. 2025. 28, №1. Р.93–101. https://doi.org/10.15407/spqeo28.01.093.

18. Petrov V. V., Kryuchyn A. A., Gorbov I. V., Pankratova A. V., Manko D. Y., Borodin Y. O., & Shikhovets O. V. Formation of submicron relief structures on the surface of sapphire substrates. Physics and Chemistry of Solid State. 2023. 24, №2. Р.298–303. https://doi.org/10.15330/pcss. 24.2.298-303.

19. Manko D. Y., Beliak I. V., Butok O. M., Chehil Y. I., Pankratova A. V., & Kryuchyn A. A. Analysis of methods for detecting opaque defects on the surface of modulation disks: A review. Physics and Chemistry of Solid State. 2025. 26,№2. Р.358–369. https://doi.org/10.15330/pcss. 26.2.358-369.

20. Чегіль Ю.І., Буток О.М., Беляк Є.В., Крючин А.А. Технологія прямого лазерного запису мікрорельєфних металевих структур на тонких плівках хрому. Реєстрація, зберігання і обробка даних. 2026. 28,№2. https://doi.org/10.35681/1560-9189.2026.28.2.363130.

Є. В. Беляк, О. В. Євтушевська, Ю. І. Чегіль, А. А. Крючин.

Порівняльний аналіз сучасних технологічних підходів до формування мікрооптичних структур

У роботі систематизовано сучасні підходи до класифікації, формування та виробничого застосування мікрооптичних структур. Розглянуто основні напрями їх використання у системах формування зображень і керування оптичним випромінюванням, інформаційній фотоніці, сенсориці, біофотоніці, світлотехніці та засобах оптичної ідентифікації. Запропоновано багаторівневу класифікацію мікрооптичних елементів за функціональним призначенням, характером перетворення оптичного поля, геометричною складністю та просторовою організацією. Виокремлено фокусувальні, дифракційні, фазові, поляризаційні, хвилевідні, резонансні та інформаційно-кодові структури, а також планарні, бінарні, багаторівневі, неперервнопрофільні, тривимірні, періодичні, субхвильові й інтегровані геометричні класи. Проаналізовано вплив геометричних параметрів, точності профілю, якості поверхні, дефектності, спектральної стабільності та матеріальної сумісності на вибір технології формування. Запропоновано модель визначення середньої умовної собівартості одиниці мікрооптичної продукції з розподілом витрат на сукупні початкові та середні операційні складники. Систематизовано виробничі режими виготовлення одиничних наукових прототипів, дослідних партій, спеціалізованих серій і продукції масового випуску та встановлено, що зі зростанням серійності домінувальні пріоритети зміщуються від геометричної гнучкості й оперативності модифікації конструкції до стабільності процесу, продуктивності та мінімізації питомої собівартості. Отримані результати формують єдину методологічну основу для порівняльного оцінювання маскової та безмаскової фотолітографії, прямого лазерного запису, багатофотонного формування, наноімпринтних та реплікаційних технологій виготовлення мікрооптичних структур.

Ключові слова: мікрооптичні структури; фотолітографія; прямий лазерний запис; дифракційні оптичні елементи; геометрична складність; масштаб виробництва; собівартість.

Back / Повернутися