二元光学概述
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。
二元光学元件的设计理论
二元光学元件的设计理论、特殊工艺与应用分析摘要：二元光学自从80年代提出以来，由于其具有衍射效率高，色散性能好，以及具有传统光学不具有的独特的光学性能，而获得了迅速的发展。
本文介绍了二元光学的发展历程、加工方法、特殊工艺，并阐述了常用二元光学器件的具体应用，及其发展方向。
为同类元器件的研制与推广提供参考。
关键词：微光学、二元光学、衍射、光刻工艺1、前言传统光学元件是基于折反射原理的器件，如透镜、棱镜等都是用机械或手工的方法进行加工，不仅制造工艺复杂、而且元件尺寸大、重量大，已不能适应现代光学设备小型化、阵列化的趋势。
80年代中期，美国MIT林肯实验室的威尔得坎普率先提出了“二元光学”的概念，二元光学有别于传统光学元件制造方法，基于衍射光学的原理，元件表面采用浮雕结构，制造上可以采用现有集成电路生产方法，由于采用二元掩模故称为二元光学。
关于二元光学的准确定义，至今还没有统一的看法，但目前的共识是二元光学基于光波衍射理论，利用计算机辅助设计、并采用超大规模集成电路制造工艺在元件表面蚀刻产生不同台阶深度的浮雕结构，形成具有极高衍射效率的衍射光学元件，是光学与微电子学相互渗透交叉的前沿学科[1]。
它的出现将给传统光学设计和加工工艺带来新的革命。
2、二元光学元件研究进展2.1 设计理论二元光学元件的设计类似于传统的光学元件的设计方法，已知入射光的光场分布，以及所要达到的输出平面的光场分布，如何计算中间光学元件的参数，使得入射光经过光学系统后光场分布符合设计要求。
但是它们之间不同之处在于传统光学设计软件采用的是光线追击以及传递函数的设计方法，而二元光学采用的是衍射理论及傅立叶光学的分析方法。
但是在设计方法上仍有其共同点：如修正算法、模拟退火法、二元搜索法等也同样适合于二元光学元件的设计。
由于在许多情况下，二元光学元件的特征尺寸在波长量级或亚波长量级，故标量衍射理论已不在适用，因此必须发展描述光偏振特性和不同偏振光之间相互作用的矢量衍射理论[2]。
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。
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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。
二元光学元件在彩虹全息拍摄中的应用
二元光学元件在彩虹全息拍摄中的应用彩虹全息是一种非常具有特色的全息技术，它涉及到二元光学元件的应用。
二元光学元件是一种特殊光学元器件，其特点是可以对光的偏振状态进行控制。
在彩虹全息的拍摄中，二元光学元件的应用非常重要。
本文将从二元光学元件的基本原理、彩虹全息的基本原理、二元光学元件在彩虹全息拍摄中的应用等方面进行阐述。
1.二元光学元件的基本原理二元光学元件是一种光学偏振元件。
它的主要作用是改变入射光的偏振状态。
二元光学元件有许多种，其中最常见的是偏振分束器和偏振棱镜。
偏振分束器是一种通过将输入的线性偏振光分为两个互相垂直的线性偏振光的光学元件。
偏振棱镜是一种具有两个不同折射率的折射晶体组合而成的光学元件。
它可以将线性偏振光分解成两个正交偏振光，或将正交偏振光合成为线性偏振光。
2.彩虹全息的基本原理彩虹全息是一种把被拍摄物体的光场记录下来的全息技术。
在彩虹全息的拍摄过程中，先用激光把被拍摄物体的光场记录到全息底片上。
然后再用激光照射全息底片，这时可以看到被拍摄物体的三维立体影像。
而在全息底片上，由于记录了被拍摄物体的全息图像，因此在照射全息底片时，会因衍射效应而形成一彩虹光芒。
这就是彩虹全息的基本原理。
3.二元光学元件在彩虹全息拍摄中的应用在彩虹全息的拍摄中，二元光学元件有着非常重要的应用。
其主要作用有以下几点：(1)控制光的偏振状态。
由于彩虹全息需要记录入射光场的全部信息，而这个入射光场的偏振状态是比较重要的。
因此，在彩虹全息的拍摄过程中，需要使用二元光学元件将入射光的偏振状态进行控制，以保证全息图像的质量和准确度。
(2)抑制全息图像的显色。
在全息底片上，由于衍射效应的影响，会产生一定的显色效应。
这会影响到彩虹全息的观察效果。
在这种情况下，可以通过使用二元光学元件，将全息底片上的显色效应进行抑制，以获得较好的观察效果。
(3)提高全息图像的分辨率。
在全息底片上，由于衍射效应的影响，容易使全息图像的像质变得模糊。
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。
二元光学器件光刻掩模的设计与制作
二元光学器件光刻掩模的设计与制作二元光学器件是指基于光波衍射理论，利用计算机辅助设计，并用超大规模集成电路制作工艺，在片基或传统的光学器件表面上蚀刻产生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器件。
二元光学器件能实现传统光学器件许多难以达到的目的和功能。
制作二元光学器件的方法很多，如灰阶掩模板法、激光热敏加工法、金刚石车削法、准分子激光加工法等。
除这些方法外，采用光学逐层套刻的方法（光刻法）仍是目前最经典有效制作二元光学器件的方法。
在这种方法制作二元器件中，光刻掩模是必不可少的。
掩模是采用某些材料制成（通常是在光学玻璃表面镀金属膜），然后通过相应工艺方法使其产生透光和不透光的图形分布。
掩模的作用是在光线照射其上时使光线选择性的透射和截止，而使其相向的基片感光层选择性的曝光。
套刻制作八台阶二元光学器件需要三块掩模，三块掩模图案不同，每块掩模光刻一层台阶，掩模的效果对二元器件的制作精度起着至关重要的作用，掩模是套刻曝光过程的前提和基础。
1光刻掩模的设计二元光学器件掩模设计主要有三个过程，即首先确定系统所需的相位分布函数，然后根据此函数进行相位压缩和量化得到二元光学器件的相位分布图，最后将得到的数据进行转换及输出。
1．1 相位分布函数的确定相位分布函数的确定这一过程是通过ZEMAX 光学设计软件进行的。
对于所研究二元光学器件来说都有两个二元面，每个二元相位面由两部分组成：基底面形和相位分布，两个二元面的基底面形都等同于一个偶次非球面，面形高度可以表示为∑=++-+=8121222)1(11Z i r a r c k cr （1）式中， r 是二元光学器件半径，c 是二元面基底的曲率，k 是基底的圆锥系数。
对于实际使用的二元光学器件来说，基底通常是平面或球面。
由软件设计得二元面相位分布函数为 Φ=),(0y x E A iNi i ∑= （2） 2002)/(∑∑====ΦN i i N i i i r r A ρA (3)式中，),(y x E i 是按某种方式排列的关于x,y 的多项式，r 是器件的归一化半径，ρ是归一化后的半径。
微光学第7章
⎧ ⎛ x − KT L ⎞ ⎤ ⎫ ⎪ ⎪ ⎛ x ⎞ ⎡ L −1 i 2π Kf0T / L ts ( x ) = ∑ δ ( x − mT ) ∗ ⎨rect ⎜ ⎟ ⎢ ∑ e rect ⎜ ⎟⎥ ⎬ ⎝ T ⎠ ⎣ K =0 m ⎝ T L ⎠⎦ ⎭ ⎪ ⎪ ⎩
其角谱为
m ⎞ − i 2π fT ⎛ F {ts ( x )} = ∑ δ ⎜ f − ⎟ e T⎠ ⎝ m
利用模拟退火法设计 32×32 像素四阶衍射相位元件 的优化化及性能检测结果。
5. F-R 共轭梯度法 (FletcherReeves conjugate gradient method)
共轭梯度法是解决非线性最佳化问题的一种算法，也是目前处 理无约束最佳化问题 (unconstrained optimization problem) 中 最常用的方法之一。首先假设一个初始值，然后由迭代公式向前得 到一个修正的近似值，迭代公式是由一个标量 (称为步距) 及向量 (搜索方向)组成，即必须先决定搜索方向，而该标量是决定在这个 方向上需要多大的步距，再选取前次方向的组合以得到更加逼近于 最佳值的新搜索方向搜索，逐次搜索的方向必须是共轭的，且不涉 及求解二阶偏微分矩阵的 Hessian 矩阵。利用此法设计双波长衍 射型长焦深物镜，其输入与输出平面上信号窗口半径为 2.1 mm、 0.3 mm，输出光轴长度 1.14 mm，取样点数为 N1 = 600， N2 = 30，NZ = 20，焦点分布在 1.8 mm 与2.4 mm。如Fig.5。 Fig.5、利用共轭梯度法设计 双波长衍射型长焦深物镜的 优化及性能检测结果
Fig.1、利用光程差法设计焦距 15 mm，孔徑 333 μm 的 3×3 16阶微透鏡阵列及性能检测。
二元光学元件的设计与应用
闪耀光栅(guāngshān)子剖面的多台阶逼 近
第九页，共三十三页。
第十页，共三十三页。
二元光学 元件的优点 (guāngxué)
理论上可以获得任意需要的波前; 具有很高的衍射效率, 如4台阶量化结构
可达81% , 8台阶量化可达95% ; 这种二元光学元件出现在基片表面波长
简单(jiǎndān)的二元光学元件
第三十页，共三十三页。
小结(xiǎojié)
从上面看到, 二元光学元件可以完成(wán chéng) 用传统的光学元件难以处理的工作, 这些 应用将会丰富我们现有的光学元件家族, 当然，更广泛的二元光学元件的应用研 究, 还有待于继续进行。
第三十一页，共三十三页。
第二页，共三十三页。
80年代末, 随着(suízhe)计算机辅助设计（CAD） 和超大规模集成电路制造技术以及离子 束蚀刻技术的迅速发展, 出现了一种新的 光学元件的制作方法, 被称为二元光学技 术。它可以制作出一些有特殊功能且高 效率的衍射光学元件。
第三页，共三十三页。
威尔得坎普(Veldkamp)
他在美国MIT林肯实验室设计新型传感系 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(chuántǒng)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。”
第十四页，共三十三页。
1.二元光学 微透镜阵 (guāngxué)
半导体阵列激光器产生(chǎnshēng)的激光阵列 需要聚合形成一个高功率的激光束，光 计算中将一个点光源产生N×N点阵列， 集成电路工艺中产生多重像等都需要微 透镜阵列。传统微透镜阵列是用小透镜 排列而成的, 这是非常困难的事情（尤其 在透镜很小时）
二元光学12
=
WHIT E
3.4 消反射的衍射元件
问题：为了抑制光学表面的菲涅尔反射，通常采用镀膜方法，由于镀膜
中常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。 二元光学解决途径：在衍射光学元件表面刻蚀高空间频率的连续位相光 栅结构。由于光栅的空间周期极小，使得只有零级衍射光在入射介质和 衬底中传播，如同处于折射率呈梯度分布的有效介质中一样，从而达到 消反射的功效。
元件的应用范围。
与此同时，微电子工业在制作技术方面也经历
了一场革命，光学和电子束制版以及干刻蚀技
术逐渐发展成熟，已成为制作精细结构元件的
完善工具。
概述—发展背景
八十年代
各种新型的加工制作方法不断涌现，能够制作
高质量和多功能的衍射光学元件。
随着元件尺寸的缩小，其精细结构周期可与波
长相比较时， 传统的衍射标量理论不再适用，
概述—发展背景
六十年代
随着计算全息图以及相息图的发明和成功的制
作，引起了观念上的重大变革。
人们认识到应用这些新型的衍射光学元件，可
方便灵活的控制光路以实现多种光学功能，开
辟光学系统设计的新天地。
概述—发展背景
七十年代 在可见光和近红外光波段内制作具有高衍效的
超精细结构元件仍面临困难，因而限制了这些
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。
还可用于集成平面微光学系统中，灵活的控制光线传输的过程 。
在惯性约束核聚变高功率激光系统中 ，用随机位相板来实现光束平 滑处理。
二元光学
南开大学现代光学所
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
全息光学与二元光学
二 全息干涉度量学 原理概述
菲涅耳全息图记录了物光波和参考光波的干涉条纹 物体发生变化前后的位相会发生变化 物光波位相的微小变化导致全息图记录的干涉条纹 的 疏密、形状发生改变
变化前、后两套干涉条纹有微小差别，记录于同一 张菲涅耳全息图上，产生莫尔条纹
由莫尔条纹的结构，推算出物体变化的微小量
计算全息图最大的特点 可以“无中生有”
61/94
三
二元光学
只要知道光波的数学描述，便可以利用计算机绘 出图形 计算全息的发展受到两个不同因素的刺激： 全息学发展至鼎盛时期 计算机绘图开始普及 罗曼在光学研究方面的成就，加上他在IBM公 司工作，使他走上了计算全息研究的这条路
62/94
三
二元光学
二元光学
产生特定波面用于全息干涉
激光扫描器和数据存贮
65/94
三 计算全息图的制作 ① 根据全息学方程
由计算机计算全息图的透过率函数
二元光学
tH（x，y）
②
函数
H
一 全息光学概论
再现模式（A） P
原始像
λ
L
0
O0exp[jφO ]
z
零级
C（x，y）
平面波
H
f
共轭像
13/94
O0exp[-jφO ]
一 全息光学概论
再现模式（B）：
P 原始像
L λ0
z
C（x，y）
球面波
零级
H
d0
14/94
di
d0 , d i 满足透镜的物像关系
共轭像
一 全息光学概论
42/94
二 全息干涉度量学
测量步骤
加压前、加压后分两次曝光
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。
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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
二元光学元件示意图
2020/1/7
2. 二元光学元件的设计方法
2020/1/7
2. 二元光学元件的设计方法
CO2聚焦透镜。
2020/1/7
4.1 光束整形与匀化
CO2 激光在材料加工中的用途之一，是 用于材料的表面热处理。为了使材料表 面各点升温均匀，需要一种光束整形元 件，将高斯型强度分布的激光束转换成 平台型强度分布。
2020/1/7
1.二元光学概述
二元光学技术
是利用计算全息方法与大规模集成 电路技术和微细加工技术相结合，从而
在任意片基材料上制作出位相深度为2
的多台阶微浮雕结构的衍射微光学元件， 是一门新兴的前沿交叉综合学科和
高技术。
2020/1/7
1.二元光学概述
二元光学元件特点 以光的衍射为基本原理，具有微型
g
(
x
)
2
f (x x0 ) 2, 0,
x FW x FW
2020/1/7
2. 二元光学元件的设计方法
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。 在这个过程中将会引进编码噪声 (2) 量化处理 对连续分布的相位进行 分级量化处理。此时又会引起位相量化 噪声。 主 要 有 ： G-S 算 法 、 Y-G 算 法 及 SA(Simulation Annealing)算法。
2020/1/7
1.二元光学概述
六十年代，随着计算机制全息图以及相 息图的发明和成功的制作，引起了观念 上的重大变革。 人们认识到应用这些新型的衍射光 学元件，可方便灵活的控制光路以实现 多种光学功能，开辟光学系统设计的新 天地。
2020/1/7
1.二元光学概述
七十年代，在可见光和近红外光波段内 制作具有高衍效的超精细结构元件仍面 临困难，因而限制了这些元件的应用范 围。 与此同时，微电子工业在制作技术 方面也经历了一场革命，光学和电子束 制版以及干刻蚀技术逐渐发展成熟，已 成为制作精细结构元件的完善工具。
Mask 3
2020/1/7
4. 二元光学元件的应用
衍射光学元件以其能够灵活的变换波前、 集多种功能于一体和可复制等优良特性， 促使光学系统和器件走向轻型化、微型 化和集成化。这种新型的光学元件的应 用极为广泛。
2020/1/7
4. 二元光学元件的应用
微小光学系统中的微型元件 光学及神经网络计算、光学平行处理系
2020/1/7
2.二元光学元件的设计方法
二元光学元件的设计问题是去构造一个新的分布函数))
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) (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
2020/1/7
1.二元光学概述
二元光学：是衍射光学的主要分支学科，
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 的理论和技术的学科，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。
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1.二元光学概述
八十年代，各种新型的加工制作方法不 断涌现，能够制作高质量和多功能的衍 射光学元件。 随着元件尺寸的缩小，其精细结构 周期可与波长相比较时， 传统的衍射标 量理论不再适用，促使了衍射矢量理论 的发展，极大地推动了衍射光学的发展。
2020/1/7
1.二元光学概述
近年来， 更高级的设备 先进的制作技术 正确有效的理论模型 设计衍射光学元件的各种方法 由此一门新兴的光学分支——衍射
光学应运而生，并已成为二十一世纪光 学中的前沿研究领域之一。
2020/1/7
1.二元光学概述
1984年，在美国国防部及空军的支持下， 启动了一个名叫“二元光学” (binary optics) 的项目，极大地推动了衍射光学 的发展。 此后，衍射光学的研究日益活跃。
统中的光互连元件 宽场及红外成象系统中的元件 光学滤波和材料加工系统中的衍射元件 抗反射和偏振态控制的亚波长光栅结构 光束整型、光束列阵发生器、微型光通
信
2020/1/7
4. 二元光学元件的应用
外科医疗仪器中的双聚焦内窥透镜 光盘读出头的 NEC 衍射元件 能矫正色差畸变的 Redimax 热聚焦透镜 用于材料加工的高效能系列长寿命的