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]。

2.2 加工工艺

二元光学元件基本制作工艺采用类似超大规模集成电路中微电子加工技术，而二元光学元件采用表面三维浮雕结构，需同时控制平面尺寸及纵向深度，其加工难度更大。近年

来随着超大规模集成电路技术的进步，二元光学元件制作工艺的进展主要表现在：从二值化相位元件向多阶相位元件，及连续分布的相位元件方向发展；从掩模套刻技术向无掩模直写技术发展。

2.3主要应用

（1）采用二元光学技术改进传统折射光学元件以提高其性能，这类元件主要用于相差校正和消色散。

（2）应用于微光学元件和微光学阵列[3]。80年代末，二元光学元件开始向微型化、阵列化方向发展。采用二元光学方法制作高密度微透镜阵列衍射效率高，蚀刻深度在波长量级时，微透镜阵列表现出普通衍射元件特性，且具有更优良的光学特性。

（3）同微型机电设备结合。将二元光学元件同微型机电设备相结合构成一种新型的光电器件椢⒐獾缱悠骷 ∕OEMS）。

2.4 发展方向

（1）研究具有亚波长结构的二元光学元件。这类元件特征尺寸比波长小，其反射率、透射率、偏振特性和光谱特性等都与常规二元光学元件截然不同，具有许多独特的特性。现在研究重点在于：建立正确有效的理论模型描述超精结构的衍射元件，研究特殊波面变换算法。

（2）二元光学CAD软件包开发。目前二元光学设计无法象传统光学设计程序那样求出任意面型的传递函数和系统相差的光学软件包，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标准光学元件，而得到广泛应用[4]。

（3）发展微型光机电集成系统（MEOMS）。微电子学、微机械学和微光学是发展新一带计算机、智能机器人和智能系统的核心技术，而二元光学是微光学的重要支柱，参照超大规模集成电路的制作方法把二元光学器件蚀刻在集成电路基片上，有可能在一片芯片上，集成整个光电处理单元。这三种技术相互结合，有效提高了器件效能，降低成本，在军事、工业和民用等方面，都有应用市场潜力很大。

3、二元光学元件制作工艺

二元光学元件的制作最初利用早期大规模集成电路的微电子加工技术，但二元光学元件是一种表面三维浮雕结构，需要同时控制平面图形的精细尺寸和纵向深度因此与微电子加工技术相比，二元光学元件的制作难度更大，通常的制作过程如下：

首先按实际要求（包括波长范围、孔径、焦距、分辨率等），通过计算机设计确定器件表面的相位分布，然后按照相位的表面台阶数，通过半导体集成电路制版等方法研制多

个振幅型掩膜，将掩膜覆盖在涂有感光层材料的基片上，通过计算机控制的电子束、离子束或激光蚀刻机，在片基上产生符合要求的表面台阶起伏，将所有掩膜曝光一遍，每次曝光位置都要严格地定位与对准，最终方可产生符合要求的具有L个相位台阶的二元光学元件。一般来说，用上述方法产生二元光学元件母版，通过母版复制，可进行批量生产。

以二次量化产生四位相台阶的二元光栅为例具体介绍工艺：首先用电子束或其它方法制成两块模版，然后在基片上蒸镀抗蚀物质，涂感光材料（铝），将第一块掩膜版（线对较稀）覆盖在感光材料光刻一次，用氰化钾腐蚀感光物质未遮盖的铝后清洗感光材料，再将基片置于高分子蚀刻机上对已光刻部分进行蚀刻，蚀刻深度由计算机控制，同样方法进行第二次蚀刻，最后得到二次量化四位表面台阶光栅。

4、二元光学元件的具体应用

二元光学的出现，拓宽了普通光学应用范围。原则上利用二元光学元件可以实现所有能够想得到的光学系统和组件。先决条件是具备先进的微结构制作工艺和方法。目前二元光学元件主要有以下几种具体应用：

（1）图形识别和图像处理。利用二元光学元件制成新的图像识别系统，使整个系统对物体形状和各个细节的灵敏度提高，而对其尺寸和转动位置的灵敏度降低。

二元光学可以制成细如发丝的微透镜阵列，能够方便的与其它光学元件集成，是新一代图像处理系统中十分有效，且密集的部件[5]。利用这种系统进行图像识别和图像处理，利用这些微透镜阵列可使入射光聚焦于微小的光电探测器上，而通常光电探测器又与自己的图像处理器相耦合，整个系统结构紧凑。

（2）用于生物视觉模拟系统。目前视觉数据计算机评价系统以探测器为基础，可以产生类似于照相机的图像，从这些图像中经过大量计算，获得诸如角度、表面等特征，最后再以绘图说明物体。使用微型二元光学透镜，不仅缩小占位空间，而且可把数据加工用处理器直接制作到每个探测器单元上，制成有效的仿生视觉系统，代替目前所用人工模拟试验。在此基础上，还可制成适应亮度变化的、识别运动物体的、自动测出物体变化位置的图像传感器。

（3）二元光学元件，可广泛用于各种成像系统如制成高分辨率的平方米尺寸的三维平面像屏，用作小型折叠式照相机的广角镜头，CD游戏机和电视机光学系统；光学通信技术上的乘法器；图像电话的神经网络系统等。

5、总结