二元光学
二元光学是基于光波衍射理论发展起来的一个新兴光学分支，是光学与微电子技术相互渗入、交叉而形成的前沿学科。
(图源百科)
基于推算机辅助设计和微米级加工技术造成的平面浮雕型二元光学器件拥有沉量轻、易复造、造价低等特点， 并能实现传统光学难以实现的微幼、阵劣注集成及肆意波面变换等新职能，从而使光学工程与技术在诸如空间技术、激光加工、推算技术与信息处置、光纤通讯及生 物医学等现代国防科技与工业的多多领域中显示出前所未有的沉要作用及辽阔的利用远景。二元光学于20世纪90年代初在国际上鼓起钻研热潮，并同时引起学术 界与工业界的极大兴致及青睐。
随着近代光学和光电子技术的迅速发展，光电子仪器及其元件都产生了深刻而巨大的变动。光学零件已经不仅仅是折射透镜、棱镜和反射镜。诸如微透镜阵 劣注全息透镜、衍射光学元件和梯度折射率透镜等新型光学元件也越来越多地利用在各类光电子仪器中，使光电子仪器及其零部件越发幼型化、阵列化和集成化。微 光学元件是造作幼型光电子系统的关键元件，它拥有体积幼、质量轻、造价低蹬着点，并且可能实现通常光学元件难以实现的微幼、阵劣注集成、成像和波面转换等 新职能。
光学是一门古老的科学。自伽利略发现望远镜以来，光学已走过下几百年的漫长路路。60年代激光的出现，推进了光学技术的迅速发展，但基于折反射道理 的传统光学元(器)件，如透镜、棱镜等人都是以机械的铣、磨、抛光等来造作的，不仅造作工艺复杂，并且元件尺寸大、沉量大。在当前仪器走向光、机、电集成 的趋向中，它们已显得痴肥粗壮极不匹配。研造幼型、高效、阵列化光学元件已是光学界如饥似渴的工作。 80年代中期，美国MIT林肯尝试室威尔得坎普(Veldkamp)辅导的钻研组在设计新型传感系统中，率先提出了“二元光学”的概想，他其时描述路：“ 此刻光学有一个分支，它险些齐全分歧于传统的造作方式，这就是衍射光学，其光学元件的表表带有浮雕结构;由于使用了正本是造作集成电路的出产步骤，所用的 掩模是二元的，且掩模用二元编码大局进行分层，故引出了二元光学的概想。”随后二元光学不仅作为一门技术，并且作为一门学科迅速地受到学术界和工业界的青 睐，在国际上掀起了一股二元光学的钻研热潮。
二元光学元(器)件因其在实现光波变换上所拥有的很多卓越的、传统光学难以具备的职能，而有利于推进 光学系统实现微型化、阵列化和集成化，启发了光学领域的新视野。关于二元光学概想的正确界说，至今光学界还没有统一的见解，但普遍以为，二元光学是指基于 光波的衍射理论，利用推算机辅助设计，并用超大规模集成(VLSI)电路造作工艺，在片基上(或传统光学器件表表)刻蚀产生两个或多个台阶深度的浮雕结 构，形成纯相位、同轴再现、拥有极高衍射效能的一类衍射光学元件。它是光学与微电子学相互渗入与交*的前沿学科。二元光学不仅在刷新通例光学元件，刷新传 统光学技术上拥有创新意思，并且可能实现传统光学很多难以达到的主张和职能，因而被誉为“90年代的光学”。它的出现将给传统光学设计理论及加工工艺带来 一次革命。二元光学元件源于全息光学元件(HOE)出格是推算全息元件(CGH)Ｄ芄灰晕嘞⑼(Kinoform)就是早期的二元光学元件。但是全息 元件效能低，且离轴再现;相息图虽同轴再现。但工艺持久未能解决，因而进展缓慢、实用受限。二元光学技术则同时解决了衍射元件的效能和加工问题。它以多阶 相位结构近似相息图的陆续浮雕结构。二元光学是微光学中的一个沉要分支。微光学是钻研微米、纳米级尺寸的光学元器件的设计、造作工艺及利用这类元器件实现 光波的发射、传输、变换及接管的理论和技术的新学科。
微光学发展的两个重要分支是：
(1)基于折射道理的梯度折射率光学，
(2)基于衍射道理的二元光学。
二者在器件机能、工艺造作等方面各具特色。二元光学是微光学领域中最具活力、最有发展潜力的前沿学恐掷唰。光学和电子学的发展都基于渺小加工的两个关键技 术：亚微米光刻和各向异性刻蚀技术。微电子学推动了二元光学学科的发展，而微电子工业的进取则得益于光刻水平的提高。此表，二元光学技术的发展又将推进微 电子技术的发展与提高。例如，目前在大规模集成电路的造作中所选取的移相模版和在造作光纤光栅中所用的相位模版也都是成立在二元光学的基础上的。二元光学 技术已经提出就吸引了—些技术蓬勃国度的瞩目，引起了各钻研机构、大学及工业界的极大兴致，并被MIT林肯尝试室称为振兴和发展美国光学工业的重要但愿， 可见其在整个光学领域的意思。二元光学能获得如此迅速的发展，除由于拥有体积幼、沉量轻、容易复造等不言而喻的利益表，还由于拥有如下很多怪异的职能和特点。
一、高衍射效能二元光学元件是一种纯相位衍射光学元件，为得到高衍射效能，可做成多相位阶数的浮雕结构。通常使用N块模版可得到 L(=2N) 个相位阶数，其衍射效能为：η=|sin(π/L)/( π/L)|2。由此推算，当L=2、4、8和16时，别离有V=40.5%、81%、94.9%和98.6%。利用亚波长微结构及陆续相位面形，可达到接 近100%的效能。
二、怪异的色散机能在—般情况下，二元光学元件多在单色光下使用。但正因它是一个色散元件，拥有分歧于通例元件的色散个性，故 可在折射光学系统中同时校对球差与色差，组成混合光学系统，以通例折射元件的曲面提供大部门的聚焦职能，再利用表表上的浮雕相位波带结构校对像差。这一方 法已用于新的非球面设计和温度赔偿等技术中。
三、更多的设计自由度在传统的折射光学系统或镜头设计中只能通过扭转曲面的曲率或使用分歧的光学资料 校对像差，而在二元光学元件中，则可通过波带片的地位、槽宽与槽深及槽形结构的扭转产生肆意波面，大大增长了设计变量，从而能设计出很多传统光学所不能的 全新职能光学元件，这是对光学设计的一次新的刷新。
四、宽大的资料可选性二元光学元件是将二元浮雕面形转移至玻璃、电介质或金属基底上，可用资料 领域大;此表，在光电系统资料的拔取中，—些红表资料如ZnSe和Si等，由于它们有一些不梦想的光学个性，故时时被限度使用，而二元光学技术则可利用它 们并在相当宽大的波段作到消色差;另表，在远紫表利用中，可使有效的光学成像波段展宽1000倍。
五、特殊的光学职能二元光学元件可产生通常传统 光学元件所不能实现的光学波面，如非球面、环状面、准和镯面等，并可集成得到多职能元件;使用亚波长结构还可得到宽带、大视场、消反射和偏振等个性;此 表，二元光学在推进幼型化、阵列化、集成化方面更是不言而喻了。 国内表钻研概况 80年代中期，美国国防部当先科研项目处(DARPA)对MIT林肯尝试室赞助了名为“二元光学”的项目，其钻研指标为：
(1)发展一种基于微电子造作工艺的光学技术，用以节约资金和劳动力，获取在设计和资料选择上更多的自由度，并开发新的光学职能元件;
(2)推动光电系统整体的推算机辅助设计;
(3)在美国工业界宽泛利用衍射光学技术。
进入90年代，随着渺小加工技术的发展，以及为了得到高衍射效能的二元光学元件，其浮雕结构从两个台阶发展到多个台阶，直至近似陆续散布，但由于其重要的造 作步骤仍基于表表分步成形技术，每次刻蚀可得到二倍的相位阶数，故仍称其为二元光学，并且往往就称为衍射光学。在国内，很多单元都发展了二元光学的钻研。 鉴于二元光学的潜在价值和国际上的钻研情况，国内一些有影响的光学专家90年代初就向国度天然科学基金委员会建议发展这方面的钻研。纵观国内表钻研近况， 目前二元光学的钻研沉担集中在三个领域：超精密衍射结构的分析理论与设计;激光束或电子束直写技术及高分辨率刻蚀技术;二元光学元件在国防、工业及消费领 域的利用。其中二元光学的CAD、掩模技术、刻蚀技术和LIGA(同步辐射光成形)技术是主题技术。
重要进展
经过近10年的钻研，二元光学已经在设计理论、造作工艺和利用等方面获得了突破性的进展。
一、设计理论方面的进展
二元光学元件的设计问题极度类似于光学变换系统中的相位复原问题：已知成像系统中入射场和输出平面上光场散布，若何推算输入平面上相位调造元件的相 位散布，使得它正确地调造入射波场，高精度地给出预期输出图样，实现所需职能。近几年来，随着造作工艺水平的发展和衍射元件利用领域的扩大，二元光学元件 特点尺寸进一步缩幼，其设计理论已逐步从标量衍射理论向矢量衍射理论发展。通常情况下，当二元光学元件的衍射特点尺寸大于光波波长时，能够选取标量衍射理 论进行设计。推算全息就是利用光的标量衍射理论和嘎凤叶光学进行分析的，关于二元光学元件衍射效能与相位阶数之间的数学表白式也是标量衍射理论的了局。
在此领域内，可将二元光学元件的设计看作是一个逆衍射问题，即由给定的入射光场和所要求的出射光场求衍射屏的透过率函数 ；谡庖凰枷氲挠呕杓撇街璐筇逵 五种：盖师贝格-撒克斯通(Gerchberg-Saxton)算法(GS)或误差减法(ER)及其建改算法、直接二元搜索法(DBS也称登山法 (HC))、仿照退火算法(SA)和遗传算法(GA)。其中仿照退火算法是一种适合解决大规模组合优化问题的步骤，它拥有描述单一、使用矫捷、利用宽泛、 运行效能高和较少受初始前提限度蹬着点;遗传算法是一种借鉴生物界天然选择和天然遗传机造的高度并杏注随机、自适应搜索算法，它将适者生计道理同基因互换 机造结合起来，形成一种拥有怪异优化机造的搜索技术，并且出格合用于并走运算，已被利用到诸多领域。在国内，中国科学院物理钻研所杨国桢和顾本原提出肆意 线性变换系统中振幅-相位复原的通常理论和杨-顾(Y-G)算法，并且成功地利用于解决多种现实问题和变换系统中。
在很多利用场所中，二元光学元件的特点 尺寸为波长量级或亚波长量级，刻蚀深度也较大(达到几个波长量级)，标量衍射理论中的如果和近似便不再成立，此时，光波的偏振性质和分歧偏振光之间的相互 作用对光的衍射了局起着沉大作用，必须发展严格的矢量衍射理论及其设计步骤。矢量衍射理论基于电磁场理论，须在适当的天堑前提上严格地求解麦克斯韦方程 组，已经发展几种有关的设计理论，如积分法、微分法、模态法和耦合波法。前两种步骤固然能够得到精确的了局，但是很难理解和实现，并必要复杂的数值推算; 比力起来，模态法和耦合波法的数学过程相对单一些，实现也较容易。这两种步骤都是在相位调造区将电磁场发展，所分歧的是它们的发展大局，模态法将电磁场按 模式发展，而耦合波法令将电磁场按衍射级次发展。
因而，耦合波步骤涉及到的数学理论较为单一，给出的是可观察的衍射各级次的系数，而不是电磁场模式系数。 但总的来说，用这些理论步骤设计二元光学元件都要进行复杂和费时的推算机运算，并且仅适合于周期性的衍射元件结构。因而，当衍射结构的横向特点尺寸大于光 波波长时，光波的偏振属性变得不那么沉要了，仍可选取传统的标量衍射理论得到一些合理的了局。对于更复杂的衍射结构，还有待发展实用而有效的设计理论。
二、造作工艺方面的进展
二元光学元件的根基造作工艺是超大规模集成电路中的微电子加工技术。但是，微电子加工属薄膜图形加工，重要需节造的是二维的薄膜图形;而二元光学元 件则是一种表表三维浮雕结构，必要同季节造平面图形的精密尺寸和纵向深度，其加工难度更大。
近几年来，在VLSI加工技术、电子、离子刻蚀技术发展的推动下，二元光学造作工艺方面获得的进展集中表此刻：从二值化相位元件向多阶相位元件、甚至陆续散布相位元件发展;从掩模套刻技术向无掩模直写技术发展。最早 的二元光学造作工艺是用图形产生器和VLSI技术造作二阶相位型衍射光学元件。到80年代后期，随着高分辨率掩模版造作技术的发展(如电子束造版分辨率可达到0.1μm)，掩模套刻、屡次沉积薄膜的对中精度的提高，能够造作多阶相位二元光学元件，大大提高了衍射效能。但是离散化的相位以及掩模的对准误差， 仍影响二元光学元件的造作精度和衍射效能的提高。为此，90年代初起头钻研直写技术，省去掩模造作工序，直接利用激光和电子束在基底资料上写入所需的二维 或三维浮雕图案。利用这种直写技术，通过节造电子束在分歧地位处的曝光量，或调造激光束强度，能够刻蚀多阶相位甚至陆续散布的表表浮雕结构。无掩模直写技 术较适于造作单件的二元或多阶相位元件，或单一的陆续概括，而利用激光掩模和套刻造作更适合于复杂概括和成批出产。
在掩模图案的刻蚀技术中，目前重要选取 高分辨率的反映离子刻蚀、薄膜沉积技术。其中离子束刻蚀的分辨率高达0.1μm，且图案边缘陡直正确，是一种较为梦想的加工伎俩。二元光学元件的一个很大 的利益是便于复造，常用的复造技术有：铸造法(casting)、模压法(embossing)和注入模压法(injection molding)。其中电铸成型模压复造将是未来大规模出产的重要技术。凭据二元光学元件的特点，其他一些新工艺，例如LIGA、溶胶-凝胶 (sol-gel)、热溶及离子扩散等技术也被利用于加工二元光学元件，还可利用灰阶掩模及PMMA紫表感光胶造作陆续相位器件。
三、利用方面的进展
随着二元光学技术的发展，二元光学元件已宽泛用于光学传赣注光通讯、光推算、数据存储、激光医学、娱乐消费以及其他特殊的系统中。也许能够说，它的 发展已经经历了三代。第一代，人们选取二元光学技术来改进传统的折射光学元件，以提高它们的通例机能，并实现通常光学元件无法实现的特殊职能。这类元件主 要用于相差校对和消色差。通常是在球面折射透镜的一个面上刻蚀衍射图案，实现折/衍复合消像差和较宽波段上的消色差。如美国柏金-爱尔马 (Perkin-Elmer)公司成功地用于施密特(Schmidt) 望远镜上解除球差;美国豪奈威尔(Honey-well)公司在远红表系统中，实现 了复消色差，它们还选取二元光学技术造作出幼型光盘读写头。此表，二元光学元件能产生肆意波面以实现很多特殊职能，而拥有沉要的利用价值。如资料加工和表 面热处置中的光束整形元件、医疗仪器中的He-Ne激光聚焦校对器、光学并行处置系统中的光互连元件(等光强分束Dammann光栅)以及辐射聚焦器等。
二元光学元件的第一代利用技术已趋于成熟，国际上有50多家公司正利用混合型特殊职能元件设计新型光学系统。
第二代，重要利用于微光学元件和微光学阵列。 80年代末，二元光学进入微光学领域，向微型化、阵列化发展，元件大幼从十几个μm至1mm。用二元光学步骤造作的高密度微透镜阵列的衍射效能很高，且可 实现衍射受限成像。另表，当刻蚀深度超过几个波长时，微透镜阵列阐发出通常的折射元件个性，并拥有怪异的利益：阵列结构比力矫捷，可所以矩阵、圆形或密排 六方形分列;能产生各类概括状态的透镜表表，如抛物面、椭圆面及合成表表等;阵列透镜的“死区”可降到零(即填充因子达到100%)。这类高质量的衍射或 折射微透镜阵列，在光通讯、光学信息处置、光存储和激光束扫描等很多领域中有沉要的利用。好比二元微光学元件在多通路微型传感系统中可作为望远混合光学系 统、光束灵巧节造、多通路处置、探测器阵列和自适应光互连。第三代，即目前在发展的一代，二元光学对准了多层或三维集成微光学，在成像和复杂的光互连中 进行光束变换和节造。
多层微光学可能将光的变换、探测和处置集成在一体，组成一种多职能的集成化光电处置器，这一进展将使一种能按分歧光强进行适应性调 整、探测出指标的活动并自动确定指标在布景中的地位的图像传感器成为可能。Veldkamp将这种新的二元光学技术与量子阱激光阵列或SEED器件、 CMOS仿照电子技术结合在一路，提出了“无长突神经细胞电子装置(Amacronic)”的设想，它把焦平面结构和局域处置单元耦合在一路，以仿照视网 膜上无长突神经细胞的近距离探测，系统拥有边缘加强、动态领域压缩和神经网络等职能。这一代微光学技术的典型利用是多层光电网络处置器。这是一种焦平面预 处置技术，它以二元光学元件提供矫捷反馈和非线性预处置能力。
探测器硅基片上的微透镜阵列将入射信号光聚焦到阵列探测器的激活区，该基片的集成电路则利用 汇聚光引发砷化镓铟二极管发光，其发射光波第二层平面石英基底两面的衍射元件疏导到第三层面硅基底的阵列探测器上，经集成电路处置后引发二极管发光……依 次类推，得四处置后的信号。这种多层焦平面预处置器的每一层之间则利用微光学阵列实现互连耦合，它为传感器的微型化、集成化和智能化启发了新的蹊径。 发展趋向 二元光学是成立在衍射理论、推算机辅助设计和渺小加工技术基础上的光学领域的前沿科学之一，超精密结构衍射元件的设计与加工是发展二元光学的关键技术。二 元光学的发展不仅使光学系统的设计和加工工艺产生深刻的刷新，并且其总体发展趋向是未来微光学、微电子学和微机械的集成技术和高机能的集成系统。
今后二元光学元件的钻研将可能在以下方面发展。
一、拥有亚波长结构的二元光学元件的钻研(蕴含设计理论与造作技术) 这类元件的特点尺寸比波长还要幼，其反射率、透射率、偏振个性和光谱个性等都显示出与通例二元光学元件截然分歧的特点，因而拥有很多怪异的利用潜力，如可 以作为抗反射元件、偏振元件、窄带滤波器和相位板。钻研沉点蕴含：成立正确和有效的理论模型设计超精密结构衍射元件;特殊波面变换的算法钻研;发展波前工 程学，以造作逼近临界尺寸的微幼元件及启发亚波长结构衍射元件的利用，推动微光学的发展。
二、二元光学的CAD软件包的开发至今尚未找到适合于分歧浮雕衍射结构的单一而有效的理论模型，二元光学元件的设计仍不足像通常光学设计法式那样， 能够求出肆意面形、传递函数及系统像差、拥有敦睦界面的通用软件包。但随着通用设计工具的发展，二元光学元件有可能成为通用的尺度光学元件，而得到宽泛的 利用，并与通例光学结合，形成一代崭新的光学系统。
三、微型光机电集成系统是二元光学钻研的总趋向微光电机械系统微光机械微电子机械微机械 1991年，美国国度关键技术委员会向美国总统提交了〖国国度关键技术》汇报，其中第8项为“微米级和纳米级造作”，即微工程技术，它重要蕴含微电子 学、微机械学和微光学这三个互有关联相互推进的学科，是发展新一代推算机、先进机械人及智能化系统，推进机械、电子及仪器仪表工业实现集成化、微型化的核 心技术。二元光学技术则是发展微光学的沉要支柱，二元光学元件有可能直接刻蚀在集成电路芯片上，并在一块芯片上安插微光学阵列，甚至齐全集成化的光电处置 单元，这将导致蕴含各类全新的超密集传感系统的产生。
微光电子学微光学微电子学图示描述了微工程技术的三个学科互订交*相互影响形成的交*学科。在微光学获得令人瞩主张进展的同时，另一门前沿科学—— 微电子机械(MEM)学获得了飞速的发展，这种结合三维集成电路处置技术的微机械步骤已成功地用于改善传感器和执行器的机能，降低用度 ；谡庵中录际跎 计的微传感器和微机械执行器，至少在一个维数上的尺寸已达到微米量级，其他维数也幼于几个毫米，对军用、工业和消费产品都有潜在的利用市场。 MEM和微光学技术的共同特点是它们都基于VLSI技术，两者的结合就能产生一个新的、更宽大的微光电机械系统，它已经在激光扫描、光学开关、动态微透镜 和集成光电-机电装置等方面显示出诱人的远景和产品市场，并将进一步启发到微分光仪、微过问仪和幼型在线机械检测系统等领域。
在微机械、微电子支持下的微 光学系统也更易商品化，从而形成二元光学产业。拥有多层结构的Amacronic焦平面预处置器是微光学、微电子学和微机械集成系统的典型利用，它以并行 光学处置方式降低了对电子处置速度和带宽的要求，加强了集成系统的处置能力和矫捷性。多层微光电机械装置的进一步发展甚至能够仿照生物视觉道理，这个方向 的钻研成就对于人类将有无法估计的意思Ｄ芄辉じ，光学工程师们能像今天的电子工程师们一样，坐在推算机终端前，通过按动鼠标或敲击键盘来设计组合二元光 学元件以及各类光机电组合系统，这一天的到来为时不会太久。