二元光學
二元光學是基于光波衍射理論發(fā)展起來的一個新興光學分支，是光學與微電子技術相互滲透、交叉而形成的前沿學科。
(圖源百科)
基于計算機輔助設計和微米級加工技術制成的平面浮雕型二元光學器件具有重量輕、易復制、造價低等特點， 并能實現傳統(tǒng)光學難以完成的微小、陣列、集成及任意波面變換等新功能，從而使光學工程與技術在諸如空間技術、激光加工、計算技術與信息處理、光纖通信及生 物醫(yī)學等現代國防科技與工業(yè)的眾多領域中顯示出前所未有的重要作用及廣闊的應用前景。二元光學于20世紀90年代初在國際上興起研究熱潮，并同時引起學術 界與工業(yè)界的極大興趣及青睞。
隨著近代光學和光電子技術的迅速發(fā)展，光電子儀器及其元件都發(fā)生了深刻而巨大的變化。光學零件已經不僅僅是折射透鏡、棱鏡和反射鏡。諸如微透鏡陣 列、全息透鏡、衍射光學元件和梯度折射率透鏡等新型光學元件也越來越多地應用在各種光電子儀器中，使光電子儀器及其零部件更加小型化、陣列化和集成化。微 光學元件是制造小型光電子系統(tǒng)的關鍵元件，它具有體積小、質量輕、造價低等優(yōu)點，并且能夠實現普通光學元件難以實現的微小、陣列、集成、成像和波面轉換等 新功能。
光學是一門古老的科學。自伽利略發(fā)明望遠鏡以來，光學已走過下幾百年的漫長道路。60年代激光的出現，促進了光學技術的迅速發(fā)展，但基于折反射原理 的傳統(tǒng)光學元(器)件，如透鏡、棱鏡等人都是以機械的銑、磨、拋光等來制作的，不僅制造工藝復雜，而且元件尺寸大、重量大。在當前儀器走向光、機、電集成 的趨勢中，它們已顯得臃腫粗大極不匹配。研制小型、高效、陣列化光學元件已是光學界刻不容緩的任務。 80年代中期，美國MIT林肯實驗室威爾得坎普(Veldkamp)領導的研究組在設計新型傳感系統(tǒng)中，率先提出了“二元光學”的概念，他當時描述道：“ 現在光學有一個分支，它幾乎完全不同于傳統(tǒng)的制作方式，這就是衍射光學，其光學元件的表面帶有浮雕結構;由于使用了本來是制作集成電路的生產方法，所用的 掩模是二元的，且掩模用二元編碼形式進行分層，故引出了二元光學的概念?！彪S后二元光學不僅作為一門技術，而且作為一門學科迅速地受到學術界和工業(yè)界的青 睞，在國際上掀起了一股二元光學的研究熱潮。
二元光學元(器)件因其在實現光波變換上所具有的許多卓越的、傳統(tǒng)光學難以具備的功能，而有利于促進 光學系統(tǒng)實現微型化、陣列化和集成化，開辟了光學領域的新視野。關于二元光學概念的準確定義，至今光學界還沒有統(tǒng)一的看法，但普遍認為，二元光學是指基于 光波的衍射理論，利用計算機輔助設計，并用超大規(guī)模集成(VLSI)電路制作工藝，在片基上(或傳統(tǒng)光學器件表面)刻蝕產生兩個或多個臺階深度的浮雕結 構，形成純相位、同軸再現、具有極高衍射效率的一類衍射光學元件。它是光學與微電子學相互滲透與交*的前沿學科。二元光學不僅在變革常規(guī)光學元件，變革傳 統(tǒng)光學技術上具有創(chuàng)新意義，而且能夠實現傳統(tǒng)光學許多難以達到的目的和功能，因而被譽為“90年代的光學”。它的出現將給傳統(tǒng)光學設計理論及加工工藝帶來 一次革命。二元光學元件源于全息光學元件(HOE)特別是計算全息元件(CGH)。可以認為相息圖(Kinoform)就是早期的二元光學元件。但是全息 元件效率低，且離軸再現;相息圖雖同軸再現。但工藝長期未能解決，因此進展緩慢、實用受限。二元光學技術則同時解決了衍射元件的效率和加工問題。它以多階 相位結構近似相息圖的連續(xù)浮雕結構。二元光學是微光學中的一個重要分支。微光學是研究微米、納米級尺寸的光學元器件的設計、制作工藝及利用這類元器件實現 光波的發(fā)射、傳輸、變換及接收的理論和技術的新學科。
微光學發(fā)展的兩個主要分支是：
(1)基于折射原理的梯度折射率光學，
(2)基于衍射原理的二元光學。
二者在器件性能、工藝制作等方面各具特色。二元光學是微光學領域中最具活力、最有發(fā)展?jié)摿Φ那把貙W科分支。光學和電子學的發(fā)展都基于微細加工的兩個關鍵技 術：亞微米光刻和各向異性刻蝕技術。微電子學推動了二元光學學科的發(fā)展，而微電子工業(yè)的進步則得益于光刻水平的提高。此外，二元光學技術的發(fā)展又將促進微 電子技術的發(fā)展與提高。例如，目前在大規(guī)模集成電路的制作中所采用的移相模版和在制作光纖光柵中所用的相位模版也都是建立在二元光學的基礎上的。二元光學 技術一經提出就吸引了—些技術發(fā)達國家的注目，引起了各研究機構、大學及工業(yè)界的極大興趣，并被MIT林肯實驗室稱為振興和發(fā)展美國光學工業(yè)的主要希望， 可見其在整個光學領域的意義。二元光學能獲得如此迅速的發(fā)展，除由于具有體積小、重量輕、容易復制等顯而易見的優(yōu)點外，還由于具有如下許多獨特的功能和特點。
一、高衍射效率二元光學元件是一種純相位衍射光學元件，為得到高衍射效率，可做成多相位階數的浮雕結構。一般使用N塊模版可得到 L(=2N) 個相位階數，其衍射效率為：η=|sin(π/L)/( π/L)|2。由此計算，當L=2、4、8和16時，分別有V=40.5%、81%、94.9%和98.6%。利用亞波長微結構及連續(xù)相位面形，可達到接 近100%的效率。
二、獨特的色散性能在—般情況下，二元光學元件多在單色光下使用。但正因它是一個色散元件，具有不同于常規(guī)元件的色散特性，故 可在折射光學系統(tǒng)中同時校正球差與色差，構成混合光學系統(tǒng)，以常規(guī)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帶結構校正像差。這一方 法已用于新的非球面設計和溫度補償等技術中。
三、更多的設計自由度在傳統(tǒng)的折射光學系統(tǒng)或鏡頭設計中只能通過改變曲面的曲率或使用不同的光學材料 校正像差，而在二元光學元件中，則可通過波帶片的位置、槽寬與槽深及槽形結構的改變產生任意波面，大大增加了設計變量，從而能設計出許多傳統(tǒng)光學所不能的 全新功能光學元件，這是對光學設計的一次新的變革。
四、寬廣的材料可選性二元光學元件是將二元浮雕面形轉移至玻璃、電介質或金屬基底上，可用材料 范圍大;此外，在光電系統(tǒng)材料的選取中，—些紅外材料如ZnSe和Si等，由于它們有一些不理想的光學特性，故經常被限制使用，而二元光學技術則可利用它 們并在相當寬廣的波段作到消色差;另外，在遠紫外應用中，可使有用的光學成像波段展寬1000倍。
五、特殊的光學功能二元光學元件可產生一般傳統(tǒng) 光學元件所不能實現的光學波面，如非球面、環(huán)狀面、錐面和鐲面等，并可集成得到多功能元件;使用亞波長結構還可得到寬帶、大視場、消反射和偏振等特性;此 外，二元光學在促進小型化、陣列化、集成化方面更是不言而喻了。 國內外研究概況 80年代中期，美國國防部領先科研項目處(DARPA)對MIT林肯實驗室資助了名為“二元光學”的項目，其研究目標為：
(1)發(fā)展一種基于微電子制作工藝的光學技術，用以節(jié)約資金和勞動力，獲取在設計和材料選擇上更多的自由度，并開發(fā)新的光學功能元件;
(2)推動光電系統(tǒng)整體的計算機輔助設計;
(3)在美國工業(yè)界廣泛應用衍射光學技術。
進入90年代，隨著微細加工技術的發(fā)展，以及為了得到高衍射效率的二元光學元件，其浮雕結構從兩個臺階發(fā)展到多個臺階，直至近似連續(xù)分布，但由于其主要的制 作方法仍基于表面分步成形技術，每次刻蝕可得到二倍的相位階數，故仍稱其為二元光學，而且往往就稱為衍射光學。在國內，許多單位都開展了二元光學的研究。 鑒于二元光學的潛在價值和國際上的研究狀況，國內一些有影響的光學專家90年代初就向國家自然科學基金委員會建議開展這方面的研究?？v觀國內外研究現狀， 目前二元光學的研究重擔集中在三個領域：超精細衍射結構的分析理論與設計;激光束或電子束直寫技術及高分辨率刻蝕技術;二元光學元件在國防、工業(yè)及消費領 域的應用。其中二元光學的CAD、掩模技術、刻蝕技術和LIGA(同步輻射光成形)技術是核心技術。
主要進展
經過近10年的研究，二元光學已經在設計理論、制作工藝和應用等方面取得了突破性的進展。
一、設計理論方面的進展
二元光學元件的設計問題十分類似于光學變換系統(tǒng)中的相位恢復問題：已知成像系統(tǒng)中入射場和輸出平面上光場分布，如何計算輸入平面上相位調制元件的相 位分布，使得它正確地調制入射波場，高精度地給出預期輸出圖樣，實現所需功能。近幾年來，隨著制作工藝水平的發(fā)展和衍射元件應用領域的擴展，二元光學元件 特征尺寸進一步縮小，其設計理論已逐漸從標量衍射理論向矢量衍射理論發(fā)展。通常情況下，當二元光學元件的衍射特征尺寸大于光波波長時，可以采用標量衍射理 論進行設計。計算全息就是利用光的標量衍射理論和傅里葉光學進行分析的，關于二元光學元件衍射效率與相位階數之間的數學表達式也是標量衍射理論的結果。
在此范圍內，可將二元光學元件的設計看作是一個逆衍射問題，即由給定的入射光場和所要求的出射光場求衍射屏的透過率函數?；谶@一思想的優(yōu)化設計方法大致有 五種：蓋師貝格-撒克斯通(Gerchberg-Saxton)算法(GS)或誤差減法(ER)及其修正算法、直接二元搜索法(DBS也稱爬山法 (HC))、模擬退火算法(SA)和遺傳算法(GA)。其中模擬退火算法是一種適合解決大規(guī)模組合優(yōu)化問題的方法，它具有描述簡單、使用靈活、應用廣泛、 運行效率高和較少受初始條件限制等優(yōu)點;遺傳算法是一種借鑒生物界自然選擇和自然遺傳機制的高度并行、隨機、自適應搜索算法，它將適者生存原理同基因交換 機制結合起來，形成一種具有獨特優(yōu)化機制的搜索技術，而且特別適用于并行運算，已被應用到諸多領域。在國內，中國科學院物理研究所楊國楨和顧本源提出任意 線性變換系統(tǒng)中振幅-相位恢復的一般理論和楊-顧(Y-G)算法，并且成功地應用于解決多種實際問題和變換系統(tǒng)中。
在許多應用場合中，二元光學元件的特征 尺寸為波長量級或亞波長量級，刻蝕深度也較大(達到幾個波長量級)，標量衍射理論中的假設和近似便不再成立，此時，光波的偏振性質和不同偏振光之間的相互 作用對光的衍射結果起著重大作用，必須發(fā)展嚴格的矢量衍射理論及其設計方法。矢量衍射理論基于電磁場理論，須在適當的邊界條件上嚴格地求解麥克斯韋方程 組，已經發(fā)展幾種有關的設計理論，如積分法、微分法、模態(tài)法和耦合波法。前兩種方法雖然可以得到精確的結果，但是很難理解和實現，并需要復雜的數值計算; 比較起來，模態(tài)法和耦合波法的數學過程相對簡單些，實現也較容易。這兩種方法都是在相位調制區(qū)將電磁場展開，所不同的是它們的展開形式，模態(tài)法將電磁場按 模式展開，而耦合波法則將電磁場按衍射級次展開。
因而，耦合波方法涉及到的數學理論較為簡單，給出的是可觀察的衍射各級次的系數，而不是電磁場模式系數。 但總的來說，用這些理論方法設計二元光學元件都要進行復雜和費時的計算機運算，而且僅適合于周期性的衍射元件結構。因此，當衍射結構的橫向特征尺寸大于光 波波長時，光波的偏振屬性變得不那么重要了，仍可采用傳統(tǒng)的標量衍射理論得到一些合理的結果。對于更復雜的衍射結構，還有待發(fā)展實用而有效的設計理論。
二、制作工藝方面的進展
二元光學元件的基本制作工藝是超大規(guī)模集成電路中的微電子加工技術。但是，微電子加工屬薄膜圖形加工，主要需控制的是二維的薄膜圖形;而二元光學元 件則是一種表面三維浮雕結構，需要同時控制平面圖形的精細尺寸和縱向深度，其加工難度更大。
近幾年來，在VLSI加工技術、電子、離子刻蝕技術發(fā)展的推動下，二元光學制作工藝方面取得的進展集中表現在：從二值化相位元件向多階相位元件、甚至連續(xù)分布相位元件發(fā)展;從掩模套刻技術向無掩模直寫技術發(fā)展。最早 的二元光學制作工藝是用圖形發(fā)生器和VLSI技術制作二階相位型衍射光學元件。到80年代后期，隨著高分辨率掩模版制作技術的發(fā)展(如電子束制版分辨率可達到0.1μm)，掩模套刻、多次沉積薄膜的對中精度的提高，可以制作多階相位二元光學元件，大大提高了衍射效率。但是離散化的相位以及掩模的對準誤差， 仍影響二元光學元件的制作精度和衍射效率的提高。為此，90年代初開始研究直寫技術，省去掩模制作工序，直接利用激光和電子束在基底材料上寫入所需的二維 或三維浮雕圖案。利用這種直寫技術，通過控制電子束在不同位置處的曝光量，或調制激光束強度，可以刻蝕多階相位乃至連續(xù)分布的表面浮雕結構。無掩模直寫技 術較適于制作單件的二元或多階相位元件，或簡單的連續(xù)輪廓，而利用激光掩模和套刻制作更適合于復雜輪廓和成批生產。
在掩模圖案的刻蝕技術中，目前主要采用 高分辨率的反應離子刻蝕、薄膜沉積技術。其中離子束刻蝕的分辨率高達0.1μm，且圖案邊緣陡直準確，是一種較為理想的加工手段。二元光學元件的一個很大 的優(yōu)點是便于復制，常用的復制技術有：鑄造法(casting)、模壓法(embossing)和注入模壓法(injection molding)。其中電鑄成型模壓復制將是未來大規(guī)模生產的主要技術。根據二元光學元件的特點，其他一些新工藝，例如LIGA、溶膠-凝膠 (sol-gel)、熱溶及離子擴散等技術也被應用于加工二元光學元件，還可利用灰階掩模及PMMA紫外感光膠制作連續(xù)相位器件。
三、應用方面的進展
隨著二元光學技術的發(fā)展，二元光學元件已廣泛用于光學傳感、光通信、光計算、數據存儲、激光醫(yī)學、娛樂消費以及其他特殊的系統(tǒng)中。也許可以說，它的 發(fā)展已經經歷了三代。第一代，人們采用二元光學技術來改進傳統(tǒng)的折射光學元件，以提高它們的常規(guī)性能，并實現普通光學元件無法實現的特殊功能。這類元件主 要用于相差校正和消色差。通常是在球面折射透鏡的一個面上刻蝕衍射圖案，實現折/衍復合消像差和較寬波段上的消色差。如美國柏金-愛爾馬 (Perkin-Elmer)公司成功地用于施密特(Schmidt) 望遠鏡上消除球差;美國豪奈威爾(Honey-well)公司在遠紅外系統(tǒng)中，實現 了復消色差，它們還采用二元光學技術制作出小型光盤讀寫頭。此外，二元光學元件能產生任意波面以實現許多特殊功能，而具有重要的應用價值。如材料加工和表 面熱處理中的光束整形元件、醫(yī)療儀器中的He-Ne激光聚焦校正器、光學并行處理系統(tǒng)中的光互連元件(等光強分束Dammann光柵)以及輻射聚焦器等。
二元光學元件的第一代應用技術已趨于成熟，國際上有50多家公司正利用混合型特殊功能元件設計新型光學系統(tǒng)。
第二代，主要應用于微光學元件和微光學陣列。 80年代末，二元光學進入微光學領域，向微型化、陣列化發(fā)展，元件大小從十幾個μm至1mm。用二元光學方法制作的高密度微透鏡陣列的衍射效率很高，且可 實現衍射受限成像。另外，當刻蝕深度超過幾個波長時，微透鏡陣列表現出普通的折射元件特性，并具有獨特的優(yōu)點：陣列結構比較靈活，可以是矩陣、圓形或密排 六方形排列;能產生各種輪廓形狀的透鏡表面，如拋物面、橢圓面及合成表面等;陣列透鏡的“死區(qū)”可降到零(即填充因子達到100%)。這類高質量的衍射或 折射微透鏡陣列，在光通信、光學信息處理、光存儲和激光束掃描等許多領域中有重要的應用。比如二元微光學元件在多通道微型傳感系統(tǒng)中可作為望遠混合光學系 統(tǒng)、光束靈巧控制、多通道處理、探測器陣列和自適應光互連。第三代，即目前正在發(fā)展的一代，二元光學瞄準了多層或三維集成微光學，在成像和復雜的光互連中 進行光束變換和控制。
多層微光學能夠將光的變換、探測和處理集成在一體，構成一種多功能的集成化光電處理器，這一進展將使一種能按不同光強進行適應性調 整、探測出目標的運動并自動確定目標在背景中的位置的圖像傳感器成為可能。Veldkamp將這種新的二元光學技術與量子阱激光陣列或SEED器件、 CMOS模擬電子技術結合在一起，提出了“無長突神經細胞電子裝置(Amacronic)”的設想，它把焦平面結構和局域處理單元耦合在一起，以模仿視網 膜上無長突神經細胞的近距離探測，系統(tǒng)具有邊緣增強、動態(tài)范圍壓縮和神經網絡等功能。這一代微光學技術的典型應用是多層光電網絡處理器。這是一種焦平面預 處理技術，它以二元光學元件提供靈活反饋和非線性預處理能力。
探測器硅基片上的微透鏡陣列將入射信號光聚焦到陣列探測器的激活區(qū)，該基片的集成電路則利用 會聚光激發(fā)砷化鎵銦二極管發(fā)光，其發(fā)射光波第二層平面石英基底兩面的衍射元件引導到第三層面硅基底的陣列探測器上，經集成電路處理后激發(fā)二極管發(fā)光……依 次類推，得到處理后的信號。這種多層焦平面預處理器的每一層之間則利用微光學陣列實現互連耦合，它為傳感器的微型化、集成化和智能化開辟了新的途徑。 發(fā)展趨勢 二元光學是建立在衍射理論、計算機輔助設計和微細加工技術基礎上的光學領域的前沿科學之一，超精細結構衍射元件的設計與加工是發(fā)展二元光學的關鍵技術。二 元光學的發(fā)展不僅使光學系統(tǒng)的設計和加工工藝發(fā)生深刻的變革，而且其總體發(fā)展趨勢是未來微光學、微電子學和微機械的集成技術和高性能的集成系統(tǒng)。
今后二元光學元件的研究將可能在以下方面發(fā)展。
一、具有亞波長結構的二元光學元件的研究(包括設計理論與制作技術) 這類元件的特征尺寸比波長還要小，其反射率、透射率、偏振特性和光譜特性等都顯示出與常規(guī)二元光學元件截然不同的特征，因而具有許多獨特的應用潛力，如可 以作為抗反射元件、偏振元件、窄帶濾波器和相位板。研究重點包括：建立正確和有效的理論模型設計超精細結構衍射元件;特殊波面變換的算法研究;發(fā)展波前工 程學，以制作逼近臨界尺寸的微小元件及開拓亞波長結構衍射元件的應用，推動微光學的發(fā)展。
二、二元光學的CAD軟件包的開發(fā)至今尚未找到適合于不同浮雕衍射結構的簡單而有效的理論模型，二元光學元件的設計仍缺乏像普通光學設計程序那樣， 可以求出任意面形、傳遞函數及系統(tǒng)像差、具有友好界面的通用軟件包。但隨著通用設計工具的發(fā)展，二元光學元件有可能成為通用的標準光學元件，而得到廣泛的 應用，并與常規(guī)光學結合，形成一代嶄新的光學系統(tǒng)。
三、微型光機電集成系統(tǒng)是二元光學研究的總趨勢微光電機械系統(tǒng)微光機械微電子機械微機械 1991年，美國國家關鍵技術委員會向美國總統(tǒng)提交了《美國國家關鍵技術》報告，其中第8項為“微米級和納米級制造”，即微工程技術，它主要包括微電子 學、微機械學和微光學這三個相互關聯(lián)相互促進的學科，是發(fā)展新一代計算機、先進機器人及智能化系統(tǒng)，促進機械、電子及儀器儀表工業(yè)實現集成化、微型化的核 心技術。二元光學技術則是發(fā)展微光學的重要支柱，二元光學元件有可能直接刻蝕在集成電路芯片上，并在一塊芯片上布置微光學陣列，甚至完全集成化的光電處理 單元，這將導致包含各種全新的超密集傳感系統(tǒng)的產生。
微光電子學微光學微電子學圖示描述了微工程技術的三個學科相互交*相互影響形成的交*學科。在微光學取得令人注目的進展的同時，另一門前沿科學—— 微電子機械(MEM)學取得了飛速的發(fā)展，這種結合三維集成電路處理技術的微機械方法已成功地用于改善傳感器和執(zhí)行器的性能，降低費用?；谶@種新技術設 計的微傳感器和微機械執(zhí)行器，至少在一個維數上的尺寸已達到微米量級，其他維數也小于幾個毫米，對軍用、工業(yè)和消費產品都有潛在的應用市場。 MEM和微光學技術的共同特征是它們都基于VLSI技術，兩者的結合就能產生一個新的、更寬廣的微光電機械系統(tǒng)，它已經在激光掃描、光學開關、動態(tài)微透鏡 和集成光電-機電裝置等方面顯示出誘人的前景和產品市場，并將進一步開拓到微分光儀、微干涉儀和小型在線機械檢測系統(tǒng)等領域。
在微機械、微電子支撐下的微 光學系統(tǒng)也更易商品化，從而形成二元光學產業(yè)。具有多層結構的Amacronic焦平面預處理器是微光學、微電子學和微機械集成系統(tǒng)的典型應用，它以并行 光學處理方式降低了對電子處理速度和帶寬的要求，增強了集成系統(tǒng)的處理能力和靈活性。多層微光電機械裝置的進一步發(fā)展甚至可以模仿生物視覺原理，這個方向 的研究成果對于人類將有無法估量的意義?？梢灶A見，光學工程師們能像今天的電子工程師們一樣，坐在計算機終端前，通過按動鼠標或敲擊鍵盤來設計組合二元光 學元件以及各種光機電組合系統(tǒng)，這一天的到來為時不會太久。