现代光学前沿新兴分支学科——二元光学技术与应用
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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
2020/3/1
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
CO2聚焦透镜。
2020/3/1
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。
传统的折射光学元件唯一有效途径是： 制作特殊的折射元件，其表面是由对光 束起不同响应作用的许多子区域组成。 这样的元件既复杂又不切合实际。
RED BLUE
WHITE
2020/3/1
4.3 消反射与导膜共振滤波 ——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 。
2020/3/1
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
2020/3/1
3. 二元光学元件的制作方法
Mask 1
substrate Mask 2
2020/3/1
4.3 消反射与导膜共振滤波
——导膜共振滤波器
平面电介质波导光栅具有导膜共振特 性，已在光电开关、光折变可调谐滤波 器、窄线宽偏振激光等方面获得实际的 应用：
任意控制并压窄线宽的不变或可调谐的 光谱滤波器
高效的低能开关转换元件 集成光学中窄波段光谱选择反射镜 体光学系统中激光线宽压窄 2020/3/高1 精度传感器
2020/3/1
4.2 像差较正 ——He-Ne激光聚焦校正器
He-Ne Laser CO 2 Laser
ZnSe
He-Ne CO 2
2020/3/1
4.2 像差较正 ——白内障病人眼球晶状体替代元件
3M公司的工作人员已对患白内障病人 设计了替换眼球晶状体的元件，但此种 手术通常使用的是普通透镜，它们只能 使病人看见较近或较远的物体。
Mask 3
2020/3/1
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。
2020/3/1
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
2020/3/1
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。
2020/3/1
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。
2020/3/1
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
2020/3/1
4.2 像差较正 ——He-Ne激光聚焦校正器
He-Ne Laser CO 2 Laser
ZnSe
He-Ne CO 2
2020/3/1
4.2 像差较正 ——He-Ne激光聚焦校正器
衍射光学技术提供了直接巧妙的解决办 法： 在聚焦透镜表面刻蚀出起负透镜作 用的衍射沟槽，使得He-Ne可见光束聚 焦点拉远而对长波段的CO2红外激光束 不起作用， 从而使CO2“刀光束”和 HeNe“照明光束”很好的聚焦于同一点
2020/3/1
4.4 光互连
目前光互连元件已广泛的应用于光学计 算和平行处理，集成光学，光电开关网 络，以及机器人视觉等领域中。
2020/3/1
4.4 光互连
近年来，随着“信息高速公路”和数字 光学计算机不断的发展，自由空间光互 连引起人们极大的兴趣。PS (Perfect Shuffle)变换作为光互连的基本变换网络， 可以实现任意变换，因此, 具有重要意 义。
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。
2020/3/1
2. 二元光学元件的设计方法
二元光学元件示意图
2020/3/1
2. 二元光学元件的设计方法
2020/3/1
2. 二元光学元件的设计方法
2020/3/1
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
2020/3/1
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
2020/3/1
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
G(u)， G(u) = G(u) exp(i(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) (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
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。
2020/3/1
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。
2020/3/1
4.4 光互连
国内外学者提出多种不同实现PS 变换的 方法：
比如，透镜棱镜法、衍射光栅法及全息 光学元件法等。然而，实现这些方法不 同程度的存在许多困难。
我们提出用计算机制微闪耀光栅列阵实 现PS变换网络的新方法，具有如下特点：
2020/3/1
4.4 光互连
只用一个列阵元件，不需要空间滤波或 复杂的光学装置来实现信号的分割、交 错与倒序；
2020/3/1
4.2 像差较正
——折衍混合消色差
利用折射和衍射正好相反的色散特点， 将二元光学技术用在折衍混合系统设计 中，消除系统色差(如下图所示)。
2020/3/1
4.2 像差较正
——折衍混合消色差
Refractive Optics
+
Binary Optics
Mixed Optics
=
BLUE RED
g
(wenku.baidu.com
x
)
2
f (x x0 ) 2, 0,
x FW x FW
2020/3/1
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。
2020/3/1
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。
2020/3/1
1.二元光学概述
4.4 光互连
光学互连元件是将一束激光分裂成一 维或二维光束列阵的衍射光学元件。选 择不同的元件参数即互连程度 (与激光 源相连的探测器数目) 和劈裂比(各劈裂 开光束之间的相对能量比)，可设计出不 同功能的光互连元件。通常有形成均匀 强度分布的光互连元件(例如，多光束发 生器、多光束照明器) 和形成非均匀强 度分布的光互连元件(例 如，高斯扇形 展开分束器)。
2020/3/1
4.3 消反射与导膜共振滤波
——消反射的衍射元件
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。 通过合 理的匹配光栅周期，选择入射光波长等 参数来设计消反射结构元件，可以获得 在宽波段和广角度范围内极低的反射率， 从而有效地抑制光学表面的菲涅尔反射。
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。
2020/3/1
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。
2020/3/1
4.2 像差较正 ——白内障病人眼球晶状体替代元件
为解决这个问题，3M 公司传感器物理 学家 J.Futhey 等在普通透镜表面刻蚀二 元光学元件，当光入射人眼时，二元光 学元件约把一半光线聚焦到视网膜表面， 另一半聚焦到视网膜内。眼睛和大脑能 把注意力集中在某个焦点而忽视另一个 焦点，从而提供远近图象。用这种方法， 二元光学透镜现已植入 50 多个国家的 几千名病人的眼中。
现代光学前沿新兴分支学科 ——二元光学技术与应用
徐平 深圳大学光电子技术工程系
E-mail: xuping@szu.edu.cn Tel.6557246
2020/3/1
主要内容：
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
2020/3/1
4.1 光束整形与匀化
2020/3/1
4.2 像差较正 ——He-Ne激光聚焦校正器
医疗仪器中长期悬而未决的难题：如何 将CO2“刀光束”与指示照明用的He-Ne 激光束聚焦到同一平面上。通常使用的 ZnSe (硒化锌) 透镜在He-Ne 激光器输出 波长比在CO2 激光器输出波长上更高的 折射率，使得 He-Ne 激光照明光束聚焦 位置更靠近透镜而远离CO2激光照明光 束聚焦点。所有现存的传统光学的解决 办法，也都会带来新的问题。
2020/3/1
4.1 光束整形与匀化
应用二元光学方法： 单个的衍射光学元件便能够同时实
现对入射高斯激光束的相位调制、强度 变换和聚焦。
利用这种衍射型光束整形器处理后 的CO2激光光束，可以进行高效而均匀 的表面热处理。
2020/3/1
4.1 光束整形与匀化
高斯光束转化为平台光束示意图 (见下页)
2020/3/1
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。
2020/3/1
1.二元光学概述
信
2020/3/1
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
CO2聚焦透镜。
2020/3/1
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。
传统的折射光学元件唯一有效途径是： 制作特殊的折射元件，其表面是由对光 束起不同响应作用的许多子区域组成。 这样的元件既复杂又不切合实际。
RED BLUE
WHITE
2020/3/1
4.3 消反射与导膜共振滤波 ——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 。
2020/3/1
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
2020/3/1
3. 二元光学元件的制作方法
Mask 1
substrate Mask 2
2020/3/1
4.3 消反射与导膜共振滤波
——导膜共振滤波器
平面电介质波导光栅具有导膜共振特 性，已在光电开关、光折变可调谐滤波 器、窄线宽偏振激光等方面获得实际的 应用：
任意控制并压窄线宽的不变或可调谐的 光谱滤波器
高效的低能开关转换元件 集成光学中窄波段光谱选择反射镜 体光学系统中激光线宽压窄 2020/3/高1 精度传感器
2020/3/1
4.2 像差较正 ——He-Ne激光聚焦校正器
He-Ne Laser CO 2 Laser
ZnSe
He-Ne CO 2
2020/3/1
4.2 像差较正 ——白内障病人眼球晶状体替代元件
3M公司的工作人员已对患白内障病人 设计了替换眼球晶状体的元件，但此种 手术通常使用的是普通透镜，它们只能 使病人看见较近或较远的物体。
Mask 3
2020/3/1
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。
2020/3/1
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
2020/3/1
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。
2020/3/1
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。
2020/3/1
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
2020/3/1
4.2 像差较正 ——He-Ne激光聚焦校正器
He-Ne Laser CO 2 Laser
ZnSe
He-Ne CO 2
2020/3/1
4.2 像差较正 ——He-Ne激光聚焦校正器
衍射光学技术提供了直接巧妙的解决办 法： 在聚焦透镜表面刻蚀出起负透镜作 用的衍射沟槽，使得He-Ne可见光束聚 焦点拉远而对长波段的CO2红外激光束 不起作用， 从而使CO2“刀光束”和 HeNe“照明光束”很好的聚焦于同一点
2020/3/1
4.4 光互连
目前光互连元件已广泛的应用于光学计 算和平行处理，集成光学，光电开关网 络，以及机器人视觉等领域中。
2020/3/1
4.4 光互连
近年来，随着“信息高速公路”和数字 光学计算机不断的发展，自由空间光互 连引起人们极大的兴趣。PS (Perfect Shuffle)变换作为光互连的基本变换网络， 可以实现任意变换，因此, 具有重要意 义。
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。
2020/3/1
2. 二元光学元件的设计方法
二元光学元件示意图
2020/3/1
2. 二元光学元件的设计方法
2020/3/1
2. 二元光学元件的设计方法
2020/3/1
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
2020/3/1
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
2020/3/1
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
G(u)， G(u) = G(u) exp(i(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) (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
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。
2020/3/1
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。
2020/3/1
4.4 光互连
国内外学者提出多种不同实现PS 变换的 方法：
比如，透镜棱镜法、衍射光栅法及全息 光学元件法等。然而，实现这些方法不 同程度的存在许多困难。
我们提出用计算机制微闪耀光栅列阵实 现PS变换网络的新方法，具有如下特点：
2020/3/1
4.4 光互连
只用一个列阵元件，不需要空间滤波或 复杂的光学装置来实现信号的分割、交 错与倒序；
2020/3/1
4.2 像差较正
——折衍混合消色差
利用折射和衍射正好相反的色散特点， 将二元光学技术用在折衍混合系统设计 中，消除系统色差(如下图所示)。
2020/3/1
4.2 像差较正
——折衍混合消色差
Refractive Optics
+
Binary Optics
Mixed Optics
=
BLUE RED
g
(wenku.baidu.com
x
)
2
f (x x0 ) 2, 0,
x FW x FW
2020/3/1
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。
2020/3/1
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。
2020/3/1
1.二元光学概述
4.4 光互连
光学互连元件是将一束激光分裂成一 维或二维光束列阵的衍射光学元件。选 择不同的元件参数即互连程度 (与激光 源相连的探测器数目) 和劈裂比(各劈裂 开光束之间的相对能量比)，可设计出不 同功能的光互连元件。通常有形成均匀 强度分布的光互连元件(例如，多光束发 生器、多光束照明器) 和形成非均匀强 度分布的光互连元件(例 如，高斯扇形 展开分束器)。
2020/3/1
4.3 消反射与导膜共振滤波
——消反射的衍射元件
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。 通过合 理的匹配光栅周期，选择入射光波长等 参数来设计消反射结构元件，可以获得 在宽波段和广角度范围内极低的反射率， 从而有效地抑制光学表面的菲涅尔反射。
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。
2020/3/1
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。
2020/3/1
4.2 像差较正 ——白内障病人眼球晶状体替代元件
为解决这个问题，3M 公司传感器物理 学家 J.Futhey 等在普通透镜表面刻蚀二 元光学元件，当光入射人眼时，二元光 学元件约把一半光线聚焦到视网膜表面， 另一半聚焦到视网膜内。眼睛和大脑能 把注意力集中在某个焦点而忽视另一个 焦点，从而提供远近图象。用这种方法， 二元光学透镜现已植入 50 多个国家的 几千名病人的眼中。
现代光学前沿新兴分支学科 ——二元光学技术与应用
徐平 深圳大学光电子技术工程系
E-mail: xuping@szu.edu.cn Tel.6557246
2020/3/1
主要内容：
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
2020/3/1
4.1 光束整形与匀化
2020/3/1
4.2 像差较正 ——He-Ne激光聚焦校正器
医疗仪器中长期悬而未决的难题：如何 将CO2“刀光束”与指示照明用的He-Ne 激光束聚焦到同一平面上。通常使用的 ZnSe (硒化锌) 透镜在He-Ne 激光器输出 波长比在CO2 激光器输出波长上更高的 折射率，使得 He-Ne 激光照明光束聚焦 位置更靠近透镜而远离CO2激光照明光 束聚焦点。所有现存的传统光学的解决 办法，也都会带来新的问题。
2020/3/1
4.1 光束整形与匀化
应用二元光学方法： 单个的衍射光学元件便能够同时实
现对入射高斯激光束的相位调制、强度 变换和聚焦。
利用这种衍射型光束整形器处理后 的CO2激光光束，可以进行高效而均匀 的表面热处理。
2020/3/1
4.1 光束整形与匀化
高斯光束转化为平台光束示意图 (见下页)
2020/3/1
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。
2020/3/1
1.二元光学概述