二元光学
二元光学在凸非球面零件检测中的应用
二元光学在凸非球面零件检测中的应用
二元光学是一种非常实用的光学技术，在工业生产中有广泛的应用。
而在凸非球面零件的检测中，二元光学也能够发挥其独特的优势，提高产品的质量和生产效率。
凸非球面零件是指表面不同于球面的凸曲面。
由于其形状的特殊性，传统的光学检测方法难以对其进行有效的检测。
而二元光学通过
将两个不同的光源进行叠加，形成明暗交替的条纹，从而达到对非球
面零件曲面的检测。
该技术需要特殊的设备支持，主要包括两个光源、一组精密的透
镜和检测器。
其中，两个光源需要同时照射到被测物体上，形成相互
交替的亮线和暗线。
而透镜和检测器则需要将这些亮暗条纹转化为数
字信号，从而获得凸非球面零件表面的精确信息。
通过二元光学技术进行凸非球面零件的检测，可以大大提高产品
的质量和生产效率。
它不仅可以检测零件的外形和曲率，还可以捕捉
到微小的表面缺陷和变形。
这有助于避免产品的无效制造和缺陷的产生，同时也减少了人工检测的时间和成本。
总之，二元光学技术在凸非球面零件检测中发挥着非常重要的作用。
它能够提高生产效率、降低成本，同时还能够保证产品的质量和
安全。
未来，随着技术的不断发展，相信二元光学技术将会在更多的
工业生产领域得到广泛应用。
二元光学工艺操作说明
切割的基片，将黑色不感光相纸放在操作台上，基片涂有光刻胶的一面向下 放置在操作台的黑纸上； 3）根据所要使用的基片尺寸，用金刚刀及尺子将基片切割成适合的尺寸；同时 把垫在基片下的黑纸做适当的切割（以能覆盖住切割后的基片大小为准，用 于保护基片上的光刻胶）； 4）用吹球吹去切割产生的玻璃残渣，将切割好的基片和黑纸小心放入黑盒中备 用。 4.注意事项：镊子、尺子和金刚刀刀都必须事先清洁过。
1
放置在自来水龙头前清洗 10 分钟，注意水流不要过大，以防止硫酸溅到身体 上。洗片时注意正、反面都要标示好，以利于辨认。严禁划伤正面。 3）从支架上取下基片，用手指夹紧基片侧面，用棉花球加洗洁精清洗，在自来 水下冲洗 15 分钟，基片正、反面、侧面都要擦洗。对于已经匀过胶的石英基 片，可打开洁净工作台的抽风机，戴上一次性手套和防毒口罩，将其放入装 有丙酮的培养皿中浸泡 10 分钟，然后取出用自来水冲洗 10 分钟，用镊子夹 持棉花球擦拭干净。 4）打开去离子水水阀，从石英基片的上面往下缓慢均匀冲洗，一边冲洗，一边 用棉花擦拭，正反面擦拭完后，放入装有去离子水的培养皿中浸泡 15 分钟后 再取出，放置在去离子水水阀下冲洗，四个侧面方向都要来回冲洗一次。 5）冲洗完毕后，立即拿到电吹风前吹干，基片要竖直方向拿，电吹风从上向下 吹，吹干后放入干净的培养皿中。 2．光刻胶涂片所用到的药液配方 铬版腐蚀液配比：硝酸铈铵 200g＋浓度为 98％冰醋酸 35mL＋去离子水 1000mL 光刻胶：AZ1500；显影液：AZ303 3．光刻胶版的涂片
二元光学器件制作工艺流程及其检测方法
一、切割
1.切割设备：金刚刀，尺子，镊子，洁净、不感光且表面光滑的黑纸（保证切割 基片时，涂有光刻胶的一面不曝光且不受污染），黑色、密闭的盛片盒（主要用 于保护涂覆有光刻胶的基片不曝光并保持一定的洁净度），医用手套，吹球 2.工作条件：暗房（若切割未涂有光刻胶的基片，可不必在暗房内操作），操作 台（要保证一定的洁净度，特别不能有颗粒状物体存在）。 3.操作过程： 1）穿上洁净服，将暗房内的操作台清洁，把切割设备摆放在暗房的操作台上，
基于二元光学的光波分束器
平 行 入 时 光 光 一
ｋ Ｔ 一
栅 ～
㈩
Ｚ－＊ ：：ｋ［ 一 ｍ （ ｅ ）， ５ Ｔ 一 ｘ ｒ 删 （ ） Ｐ ｅ一 ｘ （ｃ ￣ｔ Ｏ（
式中，“ ｅ ｔ ｒ ｃ ”表示矩形函数 ，“ ”表示卷积 。 木
图 ２衍射装置示意图
。
整个玻璃光栅沿着 ｘ 轴具有周期性结构，设平面波入射到玻璃光
维普资讯
第３ （ 期 总第 １ 期） ３
光 子 技 术
栅前表面时的相何为 ０ ，对 一个周期内的台阶从左剑 进行编号 ，最左端 为 ０级台阶，最右端为 Ｎ． 级台阶 并设第 Ｋ级 １
１ 引 言
二元光学是指基于光波 的衍射理论，利用计算机辅助设计，并用超人规模 电路制造 艺 ，在片基上刻蚀产生两个或
多个台阶深度 的浮雕结构 ，形成纯相位 、同轴再现 、具有极高衍射 效率 的一类衍射光学元件 。二元光学不仅在变革常规
光学元件，变革传统光学技术上具有创新意义，而且能够实现许多传统光学难以达到 的目的和功能，它 的出现给传统光 学 设计理论 及加工 艺带来一 次革 命 。 在光纤通信 、光计算、光盘存储 、光 电技术、 象处理及精密测量等现代科技的许多领域中，越来越 多的要求能将
一
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图１ 多阶相位轮廓光栅
３ 光栅衍射强度分布情况
任何一块厚度不均匀 的透明材料都 是光波的相位型衍射屏，若用 Ｕｉ Ｕ 分别表示衍射屏前表面和后表面上的振幅 和 分布，则衍射屏 的振 率函数 ｔ 定义为 ＝ Ｕｔ
二元光学透镜在长焦距宽谱段光学系统中的应用
Ｕｓ ｆＢＯ Ｌ ｎ Ｌｏ ｇ Ｆｏ ａ — ｄ ｎ ｓ ｅｏ ｉ ｎ ｃ ｌｗｉ ｅ Ｂａ ｄ
Ｏ ｐ ｉａ ｙ ｔ ｍ ｔｃ ｌＳ ｓｅ
ＬＡ Ｇ Ｓ ｉｏ ｇ ， Ａ Ｇ Ｊａ ． ｎ Ｌ ｉｎ － ａ ， Ａ ｕ ， Ｎ ｏ ｇｗ ｉ Ｉ Ｎ ｈ． ｎ Ｙ Ｎ ｉ ｆ ｇ ，Ｉ ａ ｇ ｕｎ Ｂ Ｉ ＷＡ Ｇ Ｈ ｎ ． ｅ ’ ｔ ｎｅ Ｘ ｊ Ｙ
在航 天用 遥感 或 观 测 用光 学 成像 相 机 中 ， 般 一
都要求具有比较高 的地表分辨率 ， 也就是要求成像
系统 具有 大 的相 对 孔 径 ， 时具 有 比较 长 的 焦 距 。 同 对于此 类 相机 ， 应用 比较 多 的是折 反 和反射 系统 ， 因 为反 射系 统可 以避 免折射 式 光学 系统产 生 的二级 光
・ 学元件 与材 料 ・ 光
二元 光 学 透镜 在 长焦 距 宽谱 段 光 学 系统 中 的应 用
梁士通 。 ， ， 杨建 峰 李 湘眷 ， 瑜 ， 洪伟 一 ， 白 王
（． １ 中国科学 院西安光学精密机械研究所 ， 陕西 西安 ７０ １ ；． １ １９ ２ 中国科学院研究生院 ， 北京 １ ０ ９ ０ ３） ０
对于一光学系统 ， 如其 以对 Ａ 和 Ａ 两种色光
校正 了位 置色差 ， 他们会 在 光轴上 交 于一点 ， 则 而该 点 相对 于第 三种 色光 Ａ 的轴上 像点 不交 于一 点 ， 两
第３ ８卷 第 １ ２期
２０ ０ ８年 １ ２月
激 光 与 红 外
Ｉ Ｅ ＆ Ｉ ＲＡＲ ＡＳ Ｒ ＮＦ ＥＤ
Ｖｏ ． ８， ． ２ １ ３ Ｎｏ １ Ｄ ｃ ｍｂ ｒ ２ ０ ｅ ｅ ｅ ，０ ８
二元光学
二元光学述略X赵书安(南京师范大学,江苏南京210097)摘要:本文介绍了二元光学的基本概念与原理,说明了二元光学元件的设计和制作过程,并总结了近十年来二元光学的进展情况。
关键词:二元光学元件;衍射效率;光刻中图分类号:O431文献标识码:A文章编号:1672-755X(2004)03-0022-04Brief Introduction to Binary OpticsZHAO Shu-an(Nanjing Normal U niversity,N ajing210097,China)Abstract:The basic concept and principle of binary optics are briefly review d in this paper,as well as the illustration of the design and manufacture processing of binary optical elem ents.The develop-ment of this subject in the recent10years is also summarized.Key words:binary optical element;diffraction efficiency;photolithography1二元光学概念二元光学的概念源于20世纪80年代中期,率先由美国M IT林肯实验室威尔得坎普(W B Veld-kam p)领导的研究小组在设计新型传感器系统时提出的,/现在光学有一个分支,它几乎完全不同于传统的制作方式,这就是衍射光学,其光学元件表面带有浮雕结构;由于使用了本来是制作集成电路的产生方法,所用的掩模是二元的且掩模用二元编码形式进行分层,故引出了二元光学概念0[1,2]。
至今二元光学概念还没有统一的定义,一般认为二元光学是指基于光的衍射理论,利用计算机辅助设计并用大规模集成电路制作工艺在片基(或传统光学器件表面)上刻蚀产生两个或多个台阶深度的浮雕结构,形成多位相、同轴再现且具有极高衍射效率的一类衍射光学元件的光学理论与技术。
二元光学面 反射镜 加工
二元光学面反射镜加工英文回答：Diffractive Binary Optics.Diffractive binary optics (DBO) is a type of optical element that uses the principles of diffraction to create a desired optical effect. DBOs are typically made by patterning a thin film of material with a series of binary (i.e., two-level) structures. The pattern of the structures determines the optical properties of the DBO, such as its focal length, magnification, and aberration correction.DBOs have a number of advantages over traditional refractive optics. First, they are much thinner and lighter than refractive optics, making them ideal for applications where space and weight are critical. Second, DBOs can be fabricated using a variety of low-cost manufacturing techniques, making them a cost-effective option for many applications. Third, DBOs can be designed to correct for awide range of aberrations, making them ideal for use in high-precision optical systems.DBOs are used in a wide variety of applications, including:Laser beam shaping.Holography.Microscopy.Telecommunications.Optoelectronics.Fabrication of DBOs.DBOs are typically fabricated using a two-step process. In the first step, a thin film of material is deposited onto a substrate. The material is typically a polymer or a metal. In the second step, the film is patterned with aseries of binary structures. The pattern of the structures is typically created using a photolithography process.The fabrication of DBOs is a complex and precise process. The following are some of the key factors that must be controlled in order to produce high-quality DBOs:The thickness of the film.The pattern of the structures.The etching depth.The sidewall angle.Applications of DBOs.DBOs have a wide range of applications in optics. Some of the most common applications include:Laser beam shaping: DBOs can be used to shape the beam of a laser into a desired shape. This is useful for avariety of applications, such as laser cutting, laser welding, and laser marking.Holography: DBOs can be used to create holograms. Holograms are three-dimensional images that can be viewed using a laser.Microscopy: DBOs can be used to improve the resolution of microscopes. This is useful for a variety of applications, such as medical imaging and materials science.Telecommunications: DBOs can be used to multiplex and demultiplex optical signals. This is useful for increasing the capacity of optical communication systems.Optoelectronics: DBOs can be used to create a varietyof optoelectronic devices, such as optical switches and modulators.Advantages of DBOs.DBOs have a number of advantages over traditionalrefractive optics. These advantages include:Thin and lightweight.Cost-effective.Can be designed to correct for a wide range of aberrations.Disadvantages of DBOs.DBOs also have some disadvantages. These disadvantages include:Can be difficult to fabricate.Can be sensitive to environmental factors.中文回答：衍射二元光学。
二元光学概述
1.二元光学概述（含义发展背景,国内 外发展状况,特点）
2. 二元光学元件的设计方法 3. 二元光学元件的制作方法 4. 二元光学元件的应用（重点介绍） 5．深蚀刻二元光学元件 6. 结束语
2020/1/7
1.二元光学概述
传统光学 基于光波的折射和反射原理，利用透镜、
反射镜和棱镜等元件进行设计和实现各 种光学功能。 衍射效应总是导致光学系统的分辨率受 到限制，除了光波的色散性质可应用于 光谱学之外，传统光学总是尽量的避免 衍射效应造成的不利影响。
2020/1/7
3. 二元光学元件的制作方法
Preparing Mask 1 Subst rat e
Lithography Cleaning RIE Mask 2 Coating Mask 3 Coating
Examinat ion
2020/1/7
3. 二元光学元件的制作方法
Mask 1
substrate Mask 2
2020/1/7
1.二元光学概述
从1990年起，美国光学学会年会和国际 光学工程协会设有衍射光学与二元光学 专题讲座和衍射光学专题会议；美国和 欧洲的重要光学杂志分别出版衍射光学 专集。 作为一个新学科领域已经形成
2020/1/7
1.二元光学概述
1992年5月美国商业性杂志“ Photonics” 刊登一篇专题文章：“衍射光学大量产 生新一代的产品和拥有数百万美元的市 场” 表明：衍射光学产业正在形成
化、轻型化、可复制、价格低、可设计 产生任意形状的波前、 可把多种功能集 中于一个器件上等其他器件不可比拟的 特点。
发展迅猛，成为二十一世纪的前沿 学科。
2020/1/7
2. 二元光学元件的设计方法
二元衍射光学元件
二元衍射光学元件
二元衍射光学元件是一种基于光的干涉和衍射现象的光学元件，由两个或更多具有不同折射率或透振幅的层状结构组成。
它们可以通过使用二元掩膜制造，其中掩膜由二进制编码的形式进行分层，这使得元件的制造更加简单和高效。
二元衍射光学元件具有体积小、重量轻、易复制、造价低、衍射效率高、设计自由度多、材料可选性宽、色散性能独特等特点。
同时，它们能实现传统光学器件难以完成的整列化、集成化及任意波面变换的功能，这使得它们在以光学元件为基础的信息捕获、抽取、测量及控制等过程中具有极大的应用潜力。
在学术研究方面，二元光学的发展并不止于对现有光学器件的小型化和集成化。
实际上，其概念的提出为解决一些传统光学无法解决的问题提供了新的思路和方法。
例如，二元光学元件的特殊性质使得它在一些对精度和稳定性有极高要求的应用场景中具有显著的优势。
然而，尽管二元光学元件具有许多优点，但它们也有一些局限性。
例如，二元光学元件的设计和制造需要精确控制光的干涉和衍射过程，这需要高度的专业知识和先进的制造技术。
此外，虽然二元光学元件可以实现高精度的波前控制，但在一些需要高精度测量和控制的场合，还需要进一步改进和优化。
总的来说，二元衍射光学元件是一种具有很大潜力的光学元件，它在许多领域都有广泛的应用前景。
随着科学技术的不断发展和进步，我们有理由相信，二元光学将会在更多的领域得到应用和发展。
二元光学元件
1
二元光学( Binary Optics )是衍射 光学、微光学的主要分支学科，是光 学与微电子、微计算机相互融合、渗 透而形成的前沿交叉学科。是研究微 米、亚微米级特征尺寸光学元件的设 计、微细加工技术及利用该元件以实 现光束的发射、聚焦、传输、成象、 分光、图象处理、光计算等一系列功 能的理论和技术。
2
二、二元光学元件的结构
γ d x
闪耀光栅 光栅周期d，闪耀角γ
相位轮廓化
多阶相位轮廓光栅 γ d Δh x 光栅常数d/N，阶梯深度Δh
h
d sin , N
N 2n
3
折射透镜到二元菲涅尔透镜的演变过程
4
三、二元光栅夫朗和费衍射强度分布及特点
由图得以下关系：
A O B Δh d'
2
6
四、二元光学元件的制作方法
掩膜
刻蚀
刻蚀
刻蚀
光学光刻制作8台阶衍射微光学元件的原理
7 下一节
I sin m / N sin m I 0 m sin m 1 / N
2
1、衍射效率与台阶的数目N和衍射级次m有关；
2、台阶的数目N越大，＋1级的衍射效率越高。当N 趋于无穷时，能量将全部集中到＋1级上。此时
I sin / N I0 / N
第七节 二元光学元件
(Binary Optical Element，BOEs )
一、概念
基于光波的衍射理论，运用计算机辅助设计， 并运用超大规模集成电路制作工艺，在片基上刻蚀 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、具有极高衍射效率的一类衍射光学元件。
随之形成的一门新的学科分支，称二元光学 。
二元光学应用课件
04
二元光学在传感领域的应 用
二元光学在传感系统中的作用
信号转换
二元光学能够将待测信号转换为光信号，实现非 光学量与光学量之间的转换。
提高灵敏度
通过二元光学技术，可以显著提高传感系统的灵 敏度，实现微弱信号的检测。
降低噪声
二元光学能够降低噪声干扰，提高信号的信噪比， 从而提高传感精度。
二元光学在传感中的优势
调制器
调制器是光通信中的核心元件之一，用于将信息 加载到光信号上。二元光学调制器具有调制速度 快、调制精度高和稳定性好的优点，能够实现高 速、大容量的光信号调制。
滤波器
二元光学滤波器是一种具有窄带滤波特性的光学 器件，能够实现光信号的过滤和选择。在光通信 中，二元光学滤波器可用于信道选择、噪声抑制 和信号解调等方面。
二元光学在成像中的优到各种成像系统中。
高效率
二元光学元件具有高反射 率和透射率，能够有效地 利用光能，降低能耗。
高稳定性
二元光学元件具有优异的 热稳定性和环境稳定性， 能够在各种恶劣条件下保 持稳定的性能。
二元光学在成像中的具体应用案例
激光雷达与遥感
通过二元光学元件实现激光雷达的高精度测距和目标识别，用于 地形测绘、环境监测和无人驾驶车辆的导航。
光学加密与信息保护
利用二元光学元件实现信息加密和防伪鉴别的高安全性，用于保 护信息安全和知识产权。
感谢您的观看
THANKS
二元光学应用课件
• 二元光学简介 • 二元光学在通信领域的应用 • 二元光学在成像领域的应用 • 二元光学在传感领域的应用 • 二元光学在其他领域的应用
01
二元光学简介
二元光学的基本概念
总结词
二元光学是一种利用二元结构（如光栅、透镜等）对光进行调控的技术。
二元光学元件的制造技术
二元光学元件的制造技术一．概述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透、交叉而形成的前沿学科。
基于计算机辅助设计和微米板加工技术制成的平面浮雕型二元光学器件具有质量轻、易复制、造价低等特点，并能实现传统光学难以完成的微小阵列、集成及任意波面变换等新功能，从而使光学工程与技术在诸如空间技术、激光加工技术与信息处理光纤通信及生物医学等现代国防、科学技术与工业等诸多领域中显示出前所未有的重要作用及广阔前景。
20世纪80年代中期，美国MIT林肯实验室率先提出，衍射光学元件的表面带有浮雕结构，使用了制作集成电路的生产方法，所用的掩模是二元的，而且掩模用二元编码形式进行分层，故引出了“二元光学”的概念。
随后加拿大、德国、俄罗斯等国也相继开展了这一领域的工作。
20世纪90年代初期，国际上兴起研究二元光学的热潮，并引起学术界和工业界的极大兴趣和青睐。
与此同时，我国也开始了该方面的研究。
经过十几年的研究，二元光学元件在设计理论、制作工艺和应用等方面取得了突破性进展。
（一）二元光学元件的结构二元光学元件是以光的衍射理论和计算机技术作为设计基础，以现代微电子技术作为加工和测量手段发展起来大的。
设计人员应用衍射理论和计算机数值计算，设计出满足一定功能的二元光学元件的位相分布，然后通过制造掩模、光刻、离子蚀剂、镀膜等各种细微加工方法，在玻璃、硅片或晶体片基上形成由亚微米级离散像素构成的浮雕型结构。
图1给出三种不同类型的二元光学元件剖面示意图。
其中图a为二值型，只包含0， 两个位相等级；图b为多值型，包含有N=2n个位相等级（图中n=2）;图c为混合型，它由一个折射光学元件和一个二元光学元件组合而成。
图（1）（a）二值型元件；（b）多值型元件；（c）混合型元件（二）二元光学元件特点二元光学元件除具有体积小、质量轻、容易复制等优点外，还具有如下许多独特的功能和特点：1．高衍射效率二元光学元件是一种纯相位衍射光学元件，为得到高衍射效率，可做成多位相等级的浮雕结构。
二元光学
二元光学元件的设计以及制造
几 种 典 型 的 二 元 光 学 器 件
二元光学元件的设计问题是去构造一个 新的分布函G(u),G(u)=|G(u)|. exp(i. f(u)) 它满足以下三个条件： (1) |G(u)|＝1，（纯相位型元件，振幅为 常数）； (2) f(u)是L 等级量化的（二元光学元件 ）； (3) G(u)的夫琅和费衍射花样g(x)＝ FT{G(u)｝的强度分布|g(x)|2 以高精 度地逼 近已知的强度信号| f (x)|2
二元光学元件的设计步骤
(1) 编码过程 将原先振幅分布中所携带的信 息，尽可能多的编码到相位分布中去。 (2) 量化处理 对连续分布的相位进行分级量 化处理。 主要有：G-S 算法、Y-G 算法及SA（ Simulation Annealing）算法。 普通光学零件的面形是用研磨、抛光方法加 工而成的，而二元光学元件的面 形是用与超大规 模集成电路制造技术相同的方法加工的。 由于制 造技术仍是制约二元光学元件发展的关键问题， 所以改进制造技术是 一个主要的研究领域。
2
3 消反射的衍射元件
为了抑制光学表面的菲涅尔反射，通常采用镀膜方法，即在光学
表面镀一层 具有梯度射射率的薄膜，使得两种介质界面的光学性质近似
的连续变化，从而获 得极低的反射率。由于镀膜中常用的化学萃取和共 蒸发方法都要用到各向异性材料，因而不可避免的带来热学和力学性能
不均匀等问题，使得高质量镀膜难以成功的制作 。
7
其它应用
莱福枪上的夜视仪 ，具有可宽带使用、大数值口径、携带方便、低 成本和大量复制等特点。
飞行员头上的平视显示仪 ，具有重量轻、光能损失小、单色显示且
显示清晰等优点。 达曼光栅分束器，其光束利用率极高，各光束强度均匀性好。
二元光学元件的原理与应用
二元光学元件的原理与应用【摘要】二元光学元件是光学器件中的重要组成部分，具有广泛的应用价值。
本文从二元光学元件的基本原理、分类和组成方式等方面进行了详细介绍。
其中透镜、棱镜和偏振片是三种常见的二元光学元件，它们在光学系统中起着不可替代的作用。
通过对二元光学元件的组成和性能特点的分析，可以更好地理解光学系统的工作原理，并为光学器件的设计与应用提供参考。
未来，二元光学元件在光学通信、成像技术和激光加工等领域的应用前景广阔。
二元光学元件的研究和应用对于推动光学技术的发展具有重要意义。
【关键词】二元光学元件、原理、应用、透镜、棱镜、偏振片、分类、基本原理、组成、应用前景、总结、光学技术。
1. 引言1.1 概述二元光学元件是由两种不同材料组成的光学元件，在光学领域中起着重要的作用。
它们可以通过控制光线的传播方向、波长和偏振状态来实现不同的光学功能。
二元光学元件广泛应用于光通信、医疗成像、激光加工等领域，对于提高光学系统的性能和功能具有重要意义。
二元光学元件的设计原理基于不同材料对光的折射率、散射率和吸收率等光学性质的差异，通过将这些材料组合在一起，可以有效地控制光的传播和调节光学系统的性能。
透镜、棱镜和偏振片是常见的二元光学元件，它们在光学系统中起着重要的作用。
本文将介绍二元光学元件的基本原理、分类以及透镜、棱镜、偏振片组成的二元光学元件的特点和应用。
通过深入了解二元光学元件的原理和性能，可以更好地应用于各种光学系统中，提高光学系统的性能和功能，推动光学技术的发展。
1.2 研究意义二元光学元件作为光学系统中重要的组成部分，在现代光学技术和应用中具有重要的意义和作用。
通过对二元光学元件的研究，可以深入了解光学原理的基础知识，探索光学器件的设计和制造技术，以及拓展光学元件在各种领域中的应用。
二元光学元件的分类研究有助于我们更好地理解和区分不同类型的光学器件，进而为光学系统的设计和优化提供依据。
不同类型的二元光学元件在光学系统中具有不同的功能和作用，通过分类研究可以更好地选择合适的元件组成光学系统。
微电子二元光学器件制作工艺研究
刻而 巨大 的变 化。 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 阵列 、 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 应用 在各 种光 电子 仪器 中 ， 使光 屯子仪 器及 其零部 件更 １ １ ４ ， 型化 、 阵列化 和 集 成化 微光 学 元件 是制 造小 型光 电子系 统 的关键 元件 ， 它具 有体 积 小 、 质量 轻、 造价 低 等优点 ， 并且 能够实 现普通 光学元 件难 以实现 的微小 、 阵列 、 集成 、 成 像 和波 面转 换 等新 功能 。
表 达 式也 是标 量衍 射理 论 的结果 。 在 此 范 围内 ， 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 。
二元 光学元 件的 特征 尺 寸为波 长量级 或亚波 长量级 ， 刻 蚀深度 也较 大哒 到 几个 波长 量级 ） ， 标量 衍射 理论 中的假 设和 近似 便不 再成 立 ， 此时 ， 光 波 的偏 报ｌ 生质和 不 同偏振 光之 间 的相 互 作用对 光 的衍射结 果 起着重 大作 用 ， 必须 发
工 业技 术
Ｃ ｈｉ ｎ ａ ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ａ ｎ ｄ Ｔｅ ｃｈ ｎｏ ｌ ｏ ｇｙ Ｒ ｅ ｖ ｉ ｅ ｗ
●Ｉ
微 电子 二 元 光 学 器 件 制 作 工艺 研 究
。 文绍光 。 同军军
二元光学折_衍混合消色差望远物镜设计
( 11)
( 12)
而一般透镜的复透过率函数为 &( r ) = ex p - j 2% r = exp - j 2% ! r 2 = ex p( j 2 % a1 r 2 ) 2f 2
2
( 13) ( 14) ( 15)
所以 和 根据平凸薄透镜的初级像差公式 y 4∃3 ref 4 -
a1 = -
) y = - 8a2
m iddle
y
m iddle
long
= S 1m iddle
1
dif
( 17)
若折射透镜的球差为 ∋ l′ , 为了校正球差而产生的色球差为 1 ∋l′ ∋ l′ s hortlong =
dif
( 18)
从 ( 17) 式可以看出 , 色球差与球差的大小成正比 , 与 Abbe 数成反比, 而衍射面的 Abbe 数 一般比较小 , 因此由于校正球差又带来了色球差 , 为了使球差和色球差取得平衡 , 应留有部分 色差, 所以方程( 8) 式应作一些改进 。 ! ref + ! dif = ! total ! ref
引 言
随着对光学系统性能要求的进一步提高, 人们逐渐从传统的全折射光学元件过渡到折 / 衍 混合型光学元件。衍射光学元件一个突出的优点是 , 具有较多的自由度和较轻的重量 , 可以用 一种或很少的几种材料即可实现消色差和校正单色象差 , 因此是高质量的光学元件。 本文主要 讨论折 / 衍混合望远物镜及其消色差特性。
=
nm iddle - 1 = ns hort - nlong
m iddle s hort
-
long
( 6)
从 ( 6) 式可以看出 , 衍射光学元件 Abbe 数为负值 , 不同于折射光学元件的正 Abbe 数。
二元光学元件在微光夜视物镜中的应用研究
Ｄｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ｏ ｆ Ｈｙ ｂ ｒ ｉ ｄ Ｒ ｅ ｆ ｒ ａ ｃ ｔ ｉ ｖ ｅ ‘ ＿ － ｄ ｉ ｆ ｒ ａ ｃ ｔ ｉ ｖ ｅ Ｏｂ ｊ ｅ ｃ ｔ ｉ ｖ ｅ Ｌ ｅ ｎ ｓ
ｆ ｏ ｒ Ｎｉ ｇ ｈ ｔ Ｖｉ ｓ ｉ ｏ ｎ Ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ
Ａ ｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ：Ｂ ｙ ｕ ｓ ｉ ｎ ｇ ｔ ｈ ｅ ｃ ｈ ａ ｒ ａ ｃ ｔ ｅ ｉ ｒ ｓ ｔ ｉ ｃ ｓ ｏ ｆ ｄ ｉ ｆ ｒ ｆ ａ ｃ ｔ ｉ ｖ ｅ ｏ ｐ ｔ ｉ ｃ ａ ｌ ｅ ｌ ｅ ｍｅ ｎ ｔ ，ａ ｈ ｙ ｂ ｉ ｒ ｄ ｒ ｅ ｒ ｆ ａ ｃ ｔ ｉ ｖ ｅ — ｄ ｉ ｆ ｆ ｒ ａ ｃ ｔ ｉ ｖ ｅ ｏ ｐ ｔ ｉ ｃ ａ ｌ ｏ ｂ ｊ ｅ ｃ ｔ ｉ ｖ ｅ ｌ ｅ ｎ ｓ
第３ ６ 卷第１ － ２ 期 ２ ０ １ ３ 年６ 月
长春理工大学学报 （ 自然 科学版 ）
Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏ ｆ Ｃ ｈ ａ ｎ ｇ ｃ ｈ ｕ ｎＵｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ｏ ｆ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ａ ｎ ｄＴ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ（ Ｎａ ｔ ｕ ｒ ａ ｌ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅＥ ｄ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ）
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二元光学元件横向加工误差对衍射效率的影响
Ａ ｒｃ：Ｍｉ ｌ ｎ ｎ ｎ ｉｅｗｉｔ ｒ ｒ ａｅｍａｎｆｂｉ ｔ ｎ ｅｒｒ ｉ Ｂｎ ｒ ｔ ａ Ｅｅ ｎｓｔ ＯＥ ． ｔ ｓ ｂ ｔａ ｓ ｔ ｓ ｉ ｍｅｔａｄ ｌ ｄｈ ｅｒ ｓ ｒ ｉ ａｒ ａｉ ｒ ｓ ｎ ｉａ Ｏｐｉ ｌ ｌ ａｇ ｎ ｏ ｃ ｏ ｏ ｙ ｃ ｍｅｔ Ｂ ） Ｉ ｉ
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二元光学元件概述
2
/ N
6
四、二元光学元件的制作方法
掩膜
光刻胶 基片
光刻
光刻
光刻
显影
显影
显影
刻蚀
刻蚀
刻蚀
光学光刻制作8台阶衍射微光学元件的原理 下一7 节
N
N
Δh 经计算得二元相位闪耀光栅的
d'
闪耀条件和衍射效率：
2d sin
d
台阶数为N，光栅常数为d'
I I0
sin
m m
/N
sin
sin m
m 1
/
N
2
5
讨论
I I0
sin
m m
/
N
sin m
sin m 1/
N
2
1、衍射效率与台阶的数目N和衍射级次m有关；
2、台阶的数目N越大，＋1级的衍射效率越高。当N 趋于无穷时，能量将全部集中到＋1级上。此时
二元光学元件概述
一、概念
基于光波的衍射理论，运用计算机辅助设计， 并运用超大规模集成电路制作工艺，在片基上刻蚀 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、具有极高衍射效率的一类衍射光学元件。 随之形成的一门新的学科分支，称二元光学 。
1
二元光学( Binary Optics )是衍射 光学、微光学的主要分支学科，是光 学与微电子、微计算机相互融合、渗 透而形成的前沿交叉学科。是研究微 米、亚微米级特征尺寸光学元件的设 计、微细加工技术及利用该元件以实 现光束的发射、聚焦、传输、成象、 分光、图象处理、光计算等一系列功 能的理论和技术。
2
二、二元光学元件的结构
二元衍射光学元件
二元衍射光学元件
（实用版）
目录
1.引言
2.二元衍射光学元件的概念与原理
3.二元衍射光学元件的设计与应用
4.二元光学的优点
5.结论
正文
1.引言
光学技术作为现代科技的重要组成部分，在诸多领域发挥着关键作用，如通信、精密测量、激光技术等。
其中，二元衍射光学元件在激光光束整形、光强分布调整等方面具有广泛的应用前景。
本文将探讨二元衍射光学元件的设计原理、应用以及优点。
2.二元衍射光学元件的概念与原理
二元衍射光学元件是指具有两个或多个不同结构的光学元件组合而
成的一种光学元件。
其原理主要基于光的衍射现象，通过控制光的传播路径和相位差，实现对光束的整形和调制。
3.二元衍射光学元件的设计与应用
在激光光束整形中，二元衍射光学元件可以有效改善激光束的光强分布，使其从高斯分布转变为均匀分布。
此外，二元衍射光学元件还可以实现激光束的传播路径调整，使其从双曲线传播路径变为直线传播路径。
因此，二元衍射光学元件在激光光束整形领域具有广泛的应用前景。
4.二元光学的优点
二元光学具有以下优点：
(1) 高衍射效率：二元衍射光学元件通过多个结构的组合，可以实现更高效的衍射效果，从而提高光束整形的精度和效率。
(2) 结构简单：相较于传统光学元件，二元衍射光学元件的结构较为简单，便于设计、制造和操作。
(3) 灵活性高：二元衍射光学元件可以根据需要灵活地调整光学参数，实现对光束的精确控制和调制。
5.结论
综上所述，二元衍射光学元件在激光光束整形领域具有广泛的应用前景，其高衍射效率、结构简单和灵活性高等优点使其成为光学技术领域的研究热点。
二元光学元件制造初探
二元光学元件制造初探朱永健郑晖(装备指挥技术学院基础部大学生一队，北京市101416)廛恿挝夔喃要]随着微细加工工艺和计算机技术的发展，二元光学元件的特征尺寸进一步减小。
本文对D ar rm m nn光栅的基础知识进行了一次介绍．并推导出了标量衍射效率，包括其解析式的通用方法，并详述了二元光学元件的常用制作工艺技术。
【关键词]D am m a nn光栅；制作工艺；光刻1D a m m an n光栅空间坐标调制二相值相位光栅最早是由D am m ann和果尔特勒(G?r t l er l于1971年提出，利用特殊孔径函数的衍射光栅产生一维或二维的等光强阵列光束。
其目的是想在光刻时能同时获得一个物体的多重成像以提高生产效率。
这种光栅又被称为“D am m a nn光栅”。
近年来，由于光计算研究的深入开展，D am m a nn光栅又被用于光互连、并行读取信息或作为逻辑阵列器件的光源等。
2设计方法在D a m m ann光栅的优化设计中，不仅要考虑各级衍射光强相等的情况，还要使衍射效率尽可能的高。
根据二元光学元件衍射效率的普遍形式。
'7=(A／A。
M10-【韭皂等俨。
12[_州sin((k¨-1))订州／显然，k=l时，田=(s i nc锕'／N F，这就是我们熟知的二元位相元件+1级的衍射效率公式。
当k=l士m N时州巫尝斧扣【帮证b一当K#I士m N时r／=0其中N=24，m=0，1，2……琴级光的衍射效率是’l o=Co s20+(2口一1FSin钿一级光的衍射效率是(一1级光的衍射效率相同)：％=牡堕二孚‰眈叼"I T‘光栅条纹占空比为O．5，即q=a／T=I／2，则上述衍射效率的公式可以得到简化。
则可以得到：m=C钿留％=—竺和i，内其中p是凸台和凹槽之间的位相差角度的一半，凸台和凹槽之间的厚度差是：d2了暑×音其中日的单位是度。
3制作方法——光刻工艺3．1涂艘涂胶是在玻璃表面上涂一层光刻胶，涂胶效果控制好坏直接影响光刻质量，因此在操作时应将光刻胶按要求准备好，并控制好光刻胶的涂层厚度及均匀性、涂层表面状态。
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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透、交*而形成的前沿学科。
基于计算机辅助设计和微米级加工技术制成的平面浮雕型二元光学器件具有重量轻、易复制、造价低等特点，并能实现传统光学难以完成的微小、阵列、集成及任意波面变换等新功能，从而使光学工程与技术在诸如空间技术、激光加工、计算技术与信息处理、光纤通信及生物医学等现代国防科技与工业的众多领域中显示出前所未有的重要作用及广阔的应用前景。
二元光学于20世纪90年代初在国际上兴起研究热潮，并同时引起学术界与工业界的极大兴趣及青睐。
</p><p>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发生了深刻而巨大的变化。
光学零件已经不仅仅是折射透镜、棱镜和反射镜。
诸如微透镜阵列、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应用在各种光电子仪器中，使光电子仪器及其零部件更加小型化、阵列化和集成化。
微光学元件是制造小型光电子系统的关键元件，它具有体积小、质量轻、造价低等优点，并且能够实现普通光学元件难以实现的微小、阵列、集成、成像和波面转换等新功能。
</p><p>光学是一门古老的科学。
自伽利略发明望远镜以来，光学已走过下几百年的漫长道路。
60年代激光的出现，促进了光学技术的迅速发展，但基于折反射原理的传统光学元(器)件，如透镜、棱镜等人都是以机械的铣、磨、抛光等来制作的，不仅制造工艺复杂，而且元件尺寸大、重量大。
在当前仪器走向光、机、电集成的趋势中，它们已显得臃肿粗大极不匹配。
研制小型、高效、阵列化光学元件已是光学界刻不容缓的任务。
80年代中期，美国MIT 林肯实验室威尔得坎普(Veldkamp)领导的研究组在设计新型传感系统中，率先提出了“二元光学”的概念，他当时描述道：“ 现在光学有一个分支，它几乎完全不同于传统的制作方式，这就是衍射光学，其光学元件的表面带有浮雕结构；由于使用了本来是制作集成电路的生产方法，所用的掩模是二元的，且掩模用二元编码形式进行分层，故引出了二元光学的概念。
”随后二元光学不仅作为一门技术，而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研究热潮。
<br />二元光学元(器)件因其在实现光波变换上所具有的许多卓越的、传统光学难以具备的功能，而有利于促进光学系统实现微型化、阵列化和集成化，开辟了光学领域的新视野。
关于二元光学概念的准确定义，至今光学界还没有统一的看法，但普遍认为，二元光学是指基于光波的衍射理论，利用计算机辅助设计，并用超大规模集成(VLSI)电路制作工艺，在片基上(或传统光学器件表面)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、具有极高衍射效率的一类衍射光学元件。
它是光学与微电子学相互渗透与交*的前沿学科。
二元光学不仅在变革常规光学元件，变革传统光学技术上具有创新意义，而且能够实现传统光学许多难以达到的目的和功能，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)特别是计算全息元件(CGH)。
可以认为相息图(Kinoform)就是早期的二元光学元件。
但是全息元件效率低，且离轴再现；相息图虽同轴再现。
但工艺长期未能解决，因此进展缓慢、实用受限。
二元光学技术则同时解决了衍射元件的效率和加工问题。
它以多阶相位结构近似相息图的连续浮雕结构。
二元光学是微光学中的一个重要分支。
微光学是研究微米、纳米级尺寸的光学元器件的设计、制作工艺及利用这类元器件实现光波的发射、传输、变换及接收的理论和技术的新学科。
<br />微光学发展的两个主要分支是：<br />(1)基于折射原理的梯度折射率光学，<br />(2)基于衍射原理的二元光学。
<br />二者在器件性能、工艺制作等方面各具特色。
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科分支。
光学和电子学的发展都基于微细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，而微电子工业的进步则得益于光刻水平的提高。
此外，二元光学技术的发展又将促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制作中所采用的移相模版和在制作光纤光栅中所用的相位模版也都是建立在二元光学的基础上的。
二元光学技术一经提出就吸引了—些技术发达国家的注目，引起了各研究机构、大学及工业界的极大兴趣，并被MIT林肯实验室称为振兴和发展美国光学工业的主要希望，可见其在整个光学领域的意义。
二元光学能获得如此迅速的发展，除由于具有体积小、重量轻、容易复制等显而易见的优点外，还由于具有如下许多独特的功能和特点。
<br />一、高衍射效率二元光学元件是一种纯相位衍射光学元件，为得到高衍射效率，可做成多相位阶数的浮雕结构。
一般使用N块模版可得到L(＝2N) 个相位阶数，其衍射效率为：η＝|sin(π/L)/( π/L)|2。
由此计算，当L＝2、4、8和16时，分别有V＝40.5％、81％、94.9％和98.6％。
利用亚波长微结构及连续相位面形，可达到接近100％的效率。
<br />二、独特的色散性能在—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，具有不同于常规元件的色散特性，故可在折射光学系统中同时校正球差与色差，构成混合光学系统，以常规折射元件的曲面提供大部分的聚焦功能，再利用表面上的浮雕相位波带结构校正像差。
这一方法已用于新的非球面设计和温度补偿等技术中。
<br />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改变曲面的曲率或使用不同的光学材料校正像差，而在二元光学元件中，则可通过波带片的位置、槽宽与槽深及槽形结构的改变产生任意波面，大大增加了设计变量，从而能设计出许多传统光学所不能的全新功能光学元件，这是对光学设计的一次新的变革。
<br />四、宽广的材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，可用材料范围大；此外，在光电系统材料的选取中，—些红外材料如ZnSe和Si等，由于它们有一些不理想的光学特性，故经常被限制使用，而二元光学技术则可利用它们并在相当宽广的波段作到消色差；另外，在远紫外应用中，可使有用的光学成像波段展宽1000倍。
<br />五、特殊的光学功能二元光学元件可产生一般传统光学元件所不能实现的光学波面，如非球面、环状面、锥面和镯面等，并可集成得到多功能元件；使用亚波长结构还可得到宽带、大视场、消反射和偏振等特性；此外，二元光学在促进小型化、阵列化、集成化方面更是不言而喻了。
国内外研究概况80年代中期，美国国防部领先科研项目处(DARPA)对MIT林肯实验室资助了名为“二元光学”的项目，其研究目标为：<br />(1)发展一种基于微电子制作工艺的光学技术，用以节约资金和劳动力，获取在设计和材料选择上更多的自由度，并开发新的光学功能元件；<br />(2)推动光电系统整体的计算机辅助设计；<br />(3)在美国工业界广泛应用衍射光学技术。
<br />进入90年代，随着微细加工技术的发展，以及为了得到高衍射效率的二元光学元件，其浮雕结构从两个台阶发展到多个台阶，直至近似连续分布，但由于其主要的制作方法仍基于表面分步成形技术，每次刻蚀可得到二倍的相位阶数，故仍称其为二元光学，而且往往就称为衍射光学。
在国内，许多单位都开展了二元光学的研究。
鉴于二元光学的潜在价值和国际上的研究状况，国内一些有影响的光学专家90年代初就向国家自然科学基金委员会建议开展这方面的研究。
纵观国内外研究现状，目前二元光学的研究重担集中在三个领域：超精细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、工业及消费领域的应用。
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)技术是核心技术。
</p><p> 主要进展<br />经过近10年的研究，二元光学已经在设计理论、制作工艺和应用等方面取得了突破性的进展。
</p><p>一、设计理论方面的进展</p><p>二元光学元件的设计问题十分类似于光学变换系统中的相位恢复问题：已知成像系统中入射场和输出平面上光场分布，如何计算输入平面上相位调制元件的相位分布，使得它正确地调制入射波场，高精度地给出预期输出图样，实现所需功能。
近几年来，随着制作工艺水平的发展和衍射元件应用领域的扩展，二元光学元件特征尺寸进一步缩小，其设计理论已逐渐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征尺寸大于光波波长时，可以采用标量衍射理论进行设计。
计算全息就是利用光的标量衍射理论和傅里叶光学进行分析的，关于二元光学元件衍射效率与相位阶数之间的数学表达式也是标量衍射理论的结果。
在此范围内，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。
基于这一思想的优化设计方法大致有五种：盖师贝格－撒克斯通(Gerchberg-Saxton)算法(GS)或误差减法(ER)及其修正算法、直接二元搜索法(DBS也称爬山法(HC))、模拟退火算法(SA)和遗传算法(GA)。
其中模拟退火算法是一种适合解决大规模组合优化问题的方法，它具有描述简单、使用灵活、应用广泛、运行效率高和较少受初始条件限制等优点；遗传算法是一种借鉴生物界自然选择和自然遗传机制的高度并行、随机、自适应搜索算法，它将适者生存原理同基因交换机制结合起来，形成一种具有独特优化机制的搜索技术，而且特别适用于并行运算，已被应用到诸多领域。
在国内，中国科学院物理研究所杨国桢和顾本源提出任意线性变换系统中振幅－相位恢复的一般理论和杨－顾(Y-G)算法，并且成功地应用于解决多种实际问题和变换系统中。
在许多应用场合中，二元光学元件的特征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)，标量衍射理论中的假设和近似便不再成立，此时，光波的偏振性质和不同偏振光之间的相互作用对光的衍射结果起着重大作用，必须发展严格的矢量衍射理论及其设计方法。