二元光學(xué)

基于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和微米級(jí)加工技術(shù)制成的平面浮雕型二元光學(xué)器件具有重量輕、易復(fù)制、造價(jià)低等特點(diǎn)， 并能實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)光學(xué)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(xué)工程與技術(shù)在諸如空間技術(shù)、激光加工、計(jì)算技術(shù)與信息處理、光纖通信及生 物醫(yī)學(xué)等現(xiàn)代國(guó)防科技與工業(yè)的眾多領(lǐng)域中顯示出前所未有的重要作用及廣闊的應(yīng)用前景。二元光學(xué)于20世紀(jì)90年代初在國(guó)際上興起研究熱潮，并同時(shí)引起學(xué)術(shù) 界與工業(yè)界的極大興趣及青睞。

隨著近代光學(xué)和光電子技術(shù)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(xué)零件已經(jīng)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(xué)元件和梯度折射率透鏡等新型光學(xué)元件也越來(lái)越多地應(yīng)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(xué)元件是制造小型光電子系統(tǒng)的關(guān)鍵元件，它具有體積小、質(zhì)量輕、造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，并且能夠?qū)崿F(xiàn)普通光學(xué)元件難以實(shí)現(xiàn)的微小、陣列、集成、成像和波面轉(zhuǎn)換等 新功能。

光學(xué)是一門(mén)古老的科學(xué)。自伽利略發(fā)明望遠(yuǎn)鏡以來(lái)，光學(xué)已走過(guò)下幾百年的漫長(zhǎng)道路。60年代激光的出現(xiàn)，促進(jìn)了光學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，但基于折反射原理 的傳統(tǒng)光學(xué)元(器)件，如透鏡、棱鏡等人都是以機(jī)械的銑、磨、拋光等來(lái)制作的，不僅制造工藝復(fù)雜，而且元件尺寸大、重量大。在當(dāng)前儀器走向光、機(jī)、電集成 的趨勢(shì)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(xué)元件已是光學(xué)界刻不容緩的任務(wù)。 80年代中期，美國(guó)MIT林肯實(shí)驗(yàn)室威爾得坎普(Veldkamp)領(lǐng)導(dǎo)的研究組在設(shè)計(jì)新型傳感系統(tǒng)中，率先提出了“二元光學(xué)”的概念，他當(dāng)時(shí)描述道：“ 現(xiàn)在光學(xué)有一個(gè)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(xué)，其光學(xué)元件的表面帶有浮雕結(jié)構(gòu)；由于使用了本來(lái)是制作集成電路的生產(chǎn)方法，所用的 掩模是二元的，且掩模用二元編碼形式進(jìn)行分層，故引出了二元光學(xué)的概念。”隨后二元光學(xué)不僅作為一門(mén)技術(shù)，而且作為一門(mén)學(xué)科迅速地受到學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的青 睞，在國(guó)際上掀起了一股二元光學(xué)的研究熱潮。
 

二元光學(xué)元(器)件因其在實(shí)現(xiàn)光波變換上所具有的許多卓越的、傳統(tǒng)光學(xué)難以具備的功能，而有利于促進(jìn) 光學(xué)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)微型化、陣列化和集成化，開(kāi)辟了光學(xué)領(lǐng)域的新視野。關(guān)于二元光學(xué)概念的準(zhǔn)確定義，至今光學(xué)界還沒(méi)有統(tǒng)一的看法，但普遍認(rèn)為，二元光學(xué)是指基于 光波的衍射理論，利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，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(xué)器件表面)刻蝕產(chǎn)生兩個(gè)或多個(gè)臺(tái)階深度的浮雕結(jié) 構(gòu)，形成純相位、同軸再現(xiàn)、具有極高衍射效率的一類(lèi)衍射光學(xué)元件。它是光學(xué)與微電子學(xué)相互滲透與交*的前沿學(xué)科。二元光學(xué)不僅在變革常規(guī)光學(xué)元件，變革傳 統(tǒng)光學(xué)技術(shù)上具有創(chuàng)新意義，而且能夠?qū)崿F(xiàn)傳統(tǒng)光學(xué)許多難以達(dá)到的目的和功能，因而被譽(yù)為“90年代的光學(xué)”。它的出現(xiàn)將給傳統(tǒng)光學(xué)設(shè)計(jì)理論及加工工藝帶來(lái) 一次革命。二元光學(xué)元件源于全息光學(xué)元件(HOE)特別是計(jì)算全息元件(CGH)?？梢哉J(rèn)為相息圖(Kinoform)就是早期的二元光學(xué)元件。但是全息 元件效率低，且離軸再現(xiàn)；相息圖雖同軸再現(xiàn)。但工藝長(zhǎng)期未能解決，因此進(jìn)展緩慢、實(shí)用受限。二元光學(xué)技術(shù)則同時(shí)解決了衍射元件的效率和加工問(wèn)題。它以多階 相位結(jié)構(gòu)近似相息圖的連續(xù)浮雕結(jié)構(gòu)。二元光學(xué)是微光學(xué)中的一個(gè)重要分支。微光學(xué)是研究微米、納米級(jí)尺寸的光學(xué)元器件的設(shè)計(jì)、制作工藝及利用這類(lèi)元器件實(shí)現(xiàn) 光波的發(fā)射、傳輸、變換及接收的理論和技術(shù)的新學(xué)科。

微光學(xué)發(fā)展的兩個(gè)主要分支是：

(1)基于折射原理的梯度折射率光學(xué)，

(2)基于衍射原理的二元光學(xué)。

二者在器件性能、工藝制作等方面各具特色。二元光學(xué)是微光學(xué)領(lǐng)域中最具活力、最有發(fā)展?jié)摿Φ那把貙W(xué)科分支。光學(xué)和電子學(xué)的發(fā)展都基于微細(xì)加工的兩個(gè)關(guān)鍵技 術(shù)：亞微米光刻和各向異性刻蝕技術(shù)。微電子學(xué)推動(dòng)了二元光學(xué)學(xué)科的發(fā)展，而微電子工業(yè)的進(jìn)步則得益于光刻水平的提高。此外，二元光學(xué)技術(shù)的發(fā)展又將促進(jìn)微 電子技術(shù)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(xué)的基礎(chǔ)上的。二元光學(xué) 技術(shù)一經(jīng)提出就吸引了—些技術(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家的注目，引起了各研究機(jī)構(gòu)、大學(xué)及工業(yè)界的極大興趣，并被MIT林肯實(shí)驗(yàn)室稱(chēng)為振興和發(fā)展美國(guó)光學(xué)工業(yè)的主要希望， 可見(jiàn)其在整個(gè)光學(xué)領(lǐng)域的意義。二元光學(xué)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(fù)制等顯而易見(jiàn)的優(yōu)點(diǎn)外，還由于具有如下許多獨(dú)特的功能和特點(diǎn)。

一、高衍射效率二元光學(xué)元件是一種純相位衍射光學(xué)元件，為得到高衍射效率，可做成多相位階數(shù)的浮雕結(jié)構(gòu)。一般使用N塊模版可得到L(＝2N) 個(gè)相位階數(shù)，其衍射效率為：η＝|sin(π/L)/( π/L)|2。由此計(jì)算，當(dāng)L＝2、4、8和16時(shí)，分別有V＝40.5％、81％、94.9％和98.6％。利用亞波長(zhǎng)微結(jié)構(gòu)及連續(xù)相位面形，可達(dá)到接 近100％的效率。

二、獨(dú)特的色散性能在—般情況下，二元光學(xué)元件多在單色光下使用。但正因它是一個(gè)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(xué)系統(tǒng)中同時(shí)校正球差與色差，構(gòu)成混合光學(xué)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(jié)構(gòu)校正像差。這一方 法已用于新的非球面設(shè)計(jì)和溫度補(bǔ)償?shù)燃夹g(shù)中。

三、更多的設(shè)計(jì)自由度在傳統(tǒng)的折射光學(xué)系統(tǒng)或鏡頭設(shè)計(jì)中只能通過(guò)改變曲面的曲率或使用不同的光學(xué)材料 校正像差，而在二元光學(xué)元件中，則可通過(guò)波帶片的位置、槽寬與槽深及槽形結(jié)構(gòu)的改變產(chǎn)生任意波面，大大增加了設(shè)計(jì)變量，從而能設(shè)計(jì)出許多傳統(tǒng)光學(xué)所不能的 全新功能光學(xué)元件，這是對(duì)光學(xué)設(shè)計(jì)的一次新的變革。

四、寬廣的材料可選性二元光學(xué)元件是將二元浮雕面形轉(zhuǎn)移至玻璃、電介質(zhì)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(xué)特性，故經(jīng)常被限制使用，而二元光學(xué)技術(shù)則可利用它 們并在相當(dāng)寬廣的波段作到消色差；另外，在遠(yuǎn)紫外應(yīng)用中，可使有用的光學(xué)成像波段展寬1000倍。

五、特殊的光學(xué)功能二元光學(xué)元件可產(chǎn)生一般傳統(tǒng) 光學(xué)元件所不能實(shí)現(xiàn)的光學(xué)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(zhǎng)結(jié)構(gòu)還可得到寬帶、大視場(chǎng)、消反射和偏振等特性；此 外，二元光學(xué)在促進(jìn)小型化、陣列化、集成化方面更是不言而喻了。 國(guó)內(nèi)外研究概況 80年代中期，美國(guó)國(guó)防部領(lǐng)先科研項(xiàng)目處(DARPA)對(duì)MIT林肯實(shí)驗(yàn)室資助了名為“二元光學(xué)”的項(xiàng)目，其研究目標(biāo)為：
 

(1)發(fā)展一種基于微電子制作工藝的光學(xué)技術(shù)，用以節(jié)約資金和勞動(dòng)力，獲取在設(shè)計(jì)和材料選擇上更多的自由度，并開(kāi)發(fā)新的光學(xué)功能元件；

(2)推動(dòng)光電系統(tǒng)整體的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)；

(3)在美國(guó)工業(yè)界廣泛應(yīng)用衍射光學(xué)技術(shù)。

進(jìn) 入90年代，隨著微細(xì)加工技術(shù)的發(fā)展，以及為了得到高衍射效率的二元光學(xué)元件，其浮雕結(jié)構(gòu)從兩個(gè)臺(tái)階發(fā)展到多個(gè)臺(tái)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(shù)，每次刻蝕可得到二倍的相位階數(shù)，故仍稱(chēng)其為二元光學(xué)，而且往往就稱(chēng)為衍射光學(xué)。在國(guó)內(nèi)，許多單位都開(kāi)展了二元光學(xué)的研究。 鑒于二元光學(xué)的潛在價(jià)值和國(guó)際上的研究狀況，國(guó)內(nèi)一些有影響的光學(xué)專(zhuān)家90年代初就向國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)建議開(kāi)展這方面的研究?？v觀國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀， 目前二元光學(xué)的研究重?fù)?dān)集中在三個(gè)領(lǐng)域：超精細(xì)衍射結(jié)構(gòu)的分析理論與設(shè)計(jì)；激光束或電子束直寫(xiě)技術(shù)及高分辨率刻蝕技術(shù)；二元光學(xué)元件在國(guó)防、工業(yè)及消費(fèi)領(lǐng) 域的應(yīng)用。其中二元光學(xué)的CAD、掩模技術(shù)、刻蝕技術(shù)和LIGA(同步輻射光成形)技術(shù)是核心技術(shù)。

主要進(jìn)展

經(jīng)過(guò)近10年的研究，二元光學(xué)已經(jīng)在設(shè)計(jì)理論、制作工藝和應(yīng)用等方面取得了突破性的進(jìn)展。

一、設(shè)計(jì)理論方面的進(jìn)展

二元光學(xué)元件的設(shè)計(jì)問(wèn)題十分類(lèi)似于光學(xué)變換系統(tǒng)中的相位恢復(fù)問(wèn)題：已知成像系統(tǒng)中入射場(chǎng)和輸出平面上光場(chǎng)分布，如何計(jì)算輸入平面上相位調(diào)制元件的相 位分布，使得它正確地調(diào)制入射波場(chǎng)，高精度地給出預(yù)期輸出圖樣，實(shí)現(xiàn)所需功能。近幾年來(lái)，隨著制作工藝水平的發(fā)展和衍射元件應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)展，二元光學(xué)元件 特征尺寸進(jìn)一步縮小，其設(shè)計(jì)理論已逐漸從標(biāo)量衍射理論向矢量衍射理論發(fā)展。通常情況下，當(dāng)二元光學(xué)元件的衍射特征尺寸大于光波波長(zhǎng)時(shí)，可以采用標(biāo)量衍射理 論進(jìn)行設(shè)計(jì)。計(jì)算全息就是利用光的標(biāo)量衍射理論和傅里葉光學(xué)進(jìn)行分析的，關(guān)于二元光學(xué)元件衍射效率與相位階數(shù)之間的數(shù)學(xué)表達(dá)式也是標(biāo)量衍射理論的結(jié)果。在 此范圍內(nèi)，可將二元光學(xué)元件的設(shè)計(jì)看作是一個(gè)逆衍射問(wèn)題，即由給定的入射光場(chǎng)和所要求的出射光場(chǎng)求衍射屏的透過(guò)率函數(shù)?；谶@一思想的優(yōu)化設(shè)計(jì)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(chēng)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(wèn)題的方法，它具有描述簡(jiǎn)單、使用靈活、應(yīng)用廣泛、 運(yùn)行效率高和較少受初始條件限制等優(yōu)點(diǎn)；遺傳算法是一種借鑒生物界自然選擇和自然遺傳機(jī)制的高度并行、隨機(jī)、自適應(yīng)搜索算法，它將適者生存原理同基因交換 機(jī)制結(jié)合起來(lái)，形成一種具有獨(dú)特優(yōu)化機(jī)制的搜索技術(shù)，而且特別適用于并行運(yùn)算，已被應(yīng)用到諸多領(lǐng)域。在國(guó)內(nèi)，中國(guó)科學(xué)院物理研究所楊國(guó)楨和顧本源提出任意 線性變換系統(tǒng)中振幅－相位恢復(fù)的一般理論和楊－顧(Y-G)算法，并且成功地應(yīng)用于解決多種實(shí)際問(wèn)題和變換系統(tǒng)中。在許多應(yīng)用場(chǎng)合中，二元光學(xué)元件的特征 尺寸為波長(zhǎng)量級(jí)或亞波長(zhǎng)量級(jí)，刻蝕深度也較大(達(dá)到幾個(gè)波長(zhǎng)量級(jí))，標(biāo)量衍射理論中的假設(shè)和近似便不再成立，此時(shí)，光波的偏振性質(zhì)和不同偏振光之間的相互 作用對(duì)光的衍射結(jié)果起著重大作用，必須發(fā)展嚴(yán)格的矢量衍射理論及其設(shè)計(jì)方法。矢量衍射理論基于電磁場(chǎng)理論，須在適當(dāng)?shù)倪吔鐥l件上嚴(yán)格地求解麥克斯韋方程 組，已經(jīng)發(fā)展幾種有關(guān)的設(shè)計(jì)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(jié)果，但是很難理解和實(shí)現(xiàn)，并需要復(fù)雜的數(shù)值計(jì)算； 比較起來(lái)，模態(tài)法和耦合波法的數(shù)學(xué)過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)單些，實(shí)現(xiàn)也較容易。這兩種方法都是在相位調(diào)制區(qū)將電磁場(chǎng)展開(kāi)，所不同的是它們的展開(kāi)形式，模態(tài)法將電磁場(chǎng)按 模式展開(kāi)，而耦合波法則將電磁場(chǎng)按衍射級(jí)次展開(kāi)。因而，耦合波方法涉及到的數(shù)學(xué)理論較為簡(jiǎn)單，給出的是可觀察的衍射各級(jí)次的系數(shù)，而不是電磁場(chǎng)模式系數(shù)。 但總的來(lái)說(shuō)，用這些理論方法設(shè)計(jì)二元光學(xué)元件都要進(jìn)行復(fù)雜和費(fèi)時(shí)的計(jì)算機(jī)運(yùn)算，而且僅適合于周期性的衍射元件結(jié)構(gòu)。因此，當(dāng)衍射結(jié)構(gòu)的橫向特征尺寸大于光 波波長(zhǎng)時(shí)，光波的偏振屬性變得不那么重要了，仍可采用傳統(tǒng)的標(biāo)量衍射理論得到一些合理的結(jié)果。對(duì)于更復(fù)雜的衍射結(jié)構(gòu)，還有待發(fā)展實(shí)用而有效的設(shè)計(jì)理論。

二、制作工藝方面的進(jìn)展

二元光學(xué)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(shù)。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(xué)元 件則是一種表面三維浮雕結(jié)構(gòu)，需要同時(shí)控制平面圖形的精細(xì)尺寸和縱向深度，其加工難度更大。近幾年來(lái)，在VLSI加工技術(shù)、電子、離子刻蝕技術(shù)發(fā)展的推動(dòng) 下，二元光學(xué)制作工藝方面取得的進(jìn)展集中表現(xiàn)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(shù)向無(wú)掩模直寫(xiě)技術(shù)發(fā)展。最早 的二元光學(xué)制作工藝是用圖形發(fā)生器和VLSI技術(shù)制作二階相位型衍射光學(xué)元件。到80年代后期，隨著高分辨率掩模版制作技術(shù)的發(fā)展(如電子束制版分辨率可 達(dá)到0.1μm)，掩模套刻、多次沉積薄膜的對(duì)中精度的提高，可以制作多階相位二元光學(xué)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(duì)準(zhǔn)誤差， 仍影響二元光學(xué)元件的制作精度和衍射效率的提高。為此，90年代初開(kāi)始研究直寫(xiě)技術(shù)，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(xiě)入所需的二維 或三維浮雕圖案。利用這種直寫(xiě)技術(shù)，通過(guò)控制電子束在不同位置處的曝光量，或調(diào)制激光束強(qiáng)度，可以刻蝕多階相位乃至連續(xù)分布的表面浮雕結(jié)構(gòu)。無(wú)掩模直寫(xiě)技 術(shù)較適于制作單件的二元或多階相位元件，或簡(jiǎn)單的連續(xù)輪廓，而利用激光掩模和套刻制作更適合于復(fù)雜輪廓和成批生產(chǎn)。在掩模圖案的刻蝕技術(shù)中，目前主要采用 高分辨率的反應(yīng)離子刻蝕、薄膜沉積技術(shù)。其中離子束刻蝕的分辨率高達(dá)0.1μm，且圖案邊緣陡直準(zhǔn)確，是一種較為理想的加工手段。二元光學(xué)元件的一個(gè)很大 的優(yōu)點(diǎn)是便于復(fù)制，常用的復(fù)制技術(shù)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(fù)制將是未來(lái)大規(guī)模生產(chǎn)的主要技術(shù)。根據(jù)二元光學(xué)元件的特點(diǎn)，其他一些新工藝，例如LIGA、溶膠－凝膠 (sol－gel)、熱溶及離子擴(kuò)散等技術(shù)也被應(yīng)用于加工二元光學(xué)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(yīng)用方面的進(jìn)展

隨著二元光學(xué)技術(shù)的發(fā)展，二元光學(xué)元件已廣泛用于光學(xué)傳感、光通信、光計(jì)算、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、激光醫(yī)學(xué)、娛樂(lè)消費(fèi)以及其他特殊的系統(tǒng)中。也許可以說(shuō)，它的 發(fā)展已經(jīng)經(jīng)歷了三代。第一代，人們采用二元光學(xué)技術(shù)來(lái)改進(jìn)傳統(tǒng)的折射光學(xué)元件，以提高它們的常規(guī)性能，并實(shí)現(xiàn)普通光學(xué)元件無(wú)法實(shí)現(xiàn)的特殊功能。這類(lèi)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(gè)面上刻蝕衍射圖案，實(shí)現(xiàn)折/衍復(fù)合消像差和較寬波段上的消色差。如美國(guó)柏金－愛(ài)爾馬 (Perkin－Elmer)公司成功地用于施密特(Schmidt)望遠(yuǎn)鏡上消除球差；美國(guó)豪奈威爾(Honey-well)公司在遠(yuǎn)紅外系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn) 了復(fù)消色差，它們還采用二元光學(xué)技術(shù)制作出小型光盤(pán)讀寫(xiě)頭。此外，二元光學(xué)元件能產(chǎn)生任意波面以實(shí)現(xiàn)許多特殊功能，而具有重要的應(yīng)用價(jià)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(xué)并行處理系統(tǒng)中的光互連元件(等光強(qiáng)分束Dammann光柵)以及輻射聚焦器等。

二元光學(xué)元件的第一代應(yīng)用技術(shù)已趨于成熟，國(guó)際上有50多家公司正利用混合型特殊功能元件設(shè)計(jì)新型光學(xué)系統(tǒng)。

第二代，主要應(yīng)用于微光學(xué)元件和微光學(xué)陣列。 80年代末，二元光學(xué)進(jìn)入微光學(xué)領(lǐng)域，向微型化、陣列化發(fā)展，元件大小從十幾個(gè)μm至1mm。用二元光學(xué)方法制作的高密度微透鏡陣列的衍射效率很高，且可 實(shí)現(xiàn)衍射受限成像。另外，當(dāng)刻蝕深度超過(guò)幾個(gè)波長(zhǎng)時(shí)，微透鏡陣列表現(xiàn)出普通的折射元件特性，并具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：陣列結(jié)構(gòu)比較靈活，可以是矩陣、圓形或密排 六方形排列；能產(chǎn)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(dá)到100％)。這類(lèi)高質(zhì)量的衍射或 折射微透鏡陣列，在光通信、光學(xué)信息處理、光存儲(chǔ)和激光束掃描等許多領(lǐng)域中有重要的應(yīng)用。比如二元微光學(xué)元件在多通道微型傳感系統(tǒng)中可作為望遠(yuǎn)混合光學(xué)系 統(tǒng)、光束靈巧控制、多通道處理、探測(cè)器陣列和自適應(yīng)光互連。第三代，即目前正在發(fā)展的一代，二元光學(xué)瞄準(zhǔn)了多層或三維集成微光學(xué)，在成像和復(fù)雜的光互連中 進(jìn)行光束變換和控制。多層微光學(xué)能夠?qū)⒐獾淖儞Q、探測(cè)和處理集成在一體，構(gòu)成一種多功能的集成化光電處理器，這一進(jìn)展將使一種能按不同光強(qiáng)進(jìn)行適應(yīng)性調(diào) 整、探測(cè)出目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)并自動(dòng)確定目標(biāo)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(xué)技術(shù)與量子阱激光陣列或SEED器件、 CMOS模擬電子技術(shù)結(jié)合在一起，提出了“無(wú)長(zhǎng)突神經(jīng)細(xì)胞電子裝置(Amacronic)”的設(shè)想，它把焦平面結(jié)構(gòu)和局域處理單元耦合在一起，以模仿視網(wǎng) 膜上無(wú)長(zhǎng)突神經(jīng)細(xì)胞的近距離探測(cè)，系統(tǒng)具有邊緣增強(qiáng)、動(dòng)態(tài)范圍壓縮和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等功能。這一代微光學(xué)技術(shù)的典型應(yīng)用是多層光電網(wǎng)絡(luò)處理器。這是一種焦平面預(yù) 處理技術(shù)，它以二元光學(xué)元件提供靈活反饋和非線性預(yù)處理能力。探測(cè)器硅基片上的微透鏡陣列將入射信號(hào)光聚焦到陣列探測(cè)器的激活區(qū)，該基片的集成電路則利用 會(huì)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(dǎo)到第三層面硅基底的陣列探測(cè)器上，經(jīng)集成電路處理后激發(fā)二極管發(fā)光……依 次類(lèi)推，得到處理后的信號(hào)。這種多層焦平面預(yù)處理器的每一層之間則利用微光學(xué)陣列實(shí)現(xiàn)互連耦合，它為傳感器的微型化、集成化和智能化開(kāi)辟了新的途徑。 發(fā)展趨勢(shì) 二元光學(xué)是建立在衍射理論、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和微細(xì)加工技術(shù)基礎(chǔ)上的光學(xué)領(lǐng)域的前沿科學(xué)之一，超精細(xì)結(jié)構(gòu)衍射元件的設(shè)計(jì)與加工是發(fā)展二元光學(xué)的關(guān)鍵技術(shù)。二 元光學(xué)的發(fā)展不僅使光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和加工工藝發(fā)生深刻的變革，而且其總體發(fā)展趨勢(shì)是未來(lái)微光學(xué)、微電子學(xué)和微機(jī)械的集成技術(shù)和高性能的集成系統(tǒng)。

今后二元光學(xué)元件的研究將可能在以下方面發(fā)展。

一、具有亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的二元光學(xué)元件的研究(包括設(shè)計(jì)理論與制作技術(shù)) 這類(lèi)元件的特征尺寸比波長(zhǎng)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(xué)元件截然不同的特征，因而具有許多獨(dú)特的應(yīng)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(diǎn)包括：建立正確和有效的理論模型設(shè)計(jì)超精細(xì)結(jié)構(gòu)衍射元件；特殊波面變換的算法研究；發(fā)展波前工 程學(xué)，以制作逼近臨界尺寸的微小元件及開(kāi)拓亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)衍射元件的應(yīng)用，推動(dòng)微光學(xué)的發(fā)展。

二、二元光學(xué)的CAD軟件包的開(kāi)發(fā)至今尚未找到適合于不同浮雕衍射結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單而有效的理論模型，二元光學(xué)元件的設(shè)計(jì)仍缺乏像普通光學(xué)設(shè)計(jì)程序那樣， 可以求出任意面形、傳遞函數(shù)及系統(tǒng)像差、具有友好界面的通用軟件包。但隨著通用設(shè)計(jì)工具的發(fā)展，二元光學(xué)元件有可能成為通用的標(biāo)準(zhǔn)光學(xué)元件，而得到廣泛的 應(yīng)用，并與常規(guī)光學(xué)結(jié)合，形成一代嶄新的光學(xué)系統(tǒng)。

三、微型光機(jī)電集成系統(tǒng)是二元光學(xué)研究的總趨勢(shì)微光電機(jī)械系統(tǒng)微光機(jī)械微電子機(jī)械微機(jī)械 1991年，美國(guó)國(guó)家關(guān)鍵技術(shù)委員會(huì)向美國(guó)總統(tǒng)提交了《美國(guó)國(guó)家關(guān)鍵技術(shù)》報(bào)告，其中第8項(xiàng)為“微米級(jí)和納米級(jí)制造”，即微工程技術(shù)，它主要包括微電子 學(xué)、微機(jī)械學(xué)和微光學(xué)這三個(gè)相互關(guān)聯(lián)相互促進(jìn)的學(xué)科，是發(fā)展新一代計(jì)算機(jī)、先進(jìn)機(jī)器人及智能化系統(tǒng)，促進(jìn)機(jī)械、電子及儀器儀表工業(yè)實(shí)現(xiàn)集成化、微型化的核 心技術(shù)。二元光學(xué)技術(shù)則是發(fā)展微光學(xué)的重要支柱，二元光學(xué)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(xué)陣列，甚至完全集成化的光電處理 單元，這將導(dǎo)致包含各種全新的超密集傳感系統(tǒng)的產(chǎn)生。

微光電子學(xué)微光學(xué)微電子學(xué)圖示描述了微工程技術(shù)的三個(gè)學(xué)科相互交*相互影響形成的交*學(xué)科。在微光學(xué)取得令人注目的進(jìn)展的同時(shí)，另一門(mén)前沿科學(xué)—— 微電子機(jī)械(MEM)學(xué)取得了飛速的發(fā)展，這種結(jié)合三維集成電路處理技術(shù)的微機(jī)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(fèi)用?；谶@種新技術(shù)設(shè) 計(jì)的微傳感器和微機(jī)械執(zhí)行器，至少在一個(gè)維數(shù)上的尺寸已達(dá)到微米量級(jí)，其他維數(shù)也小于幾個(gè)毫米，對(duì)軍用、工業(yè)和消費(fèi)產(chǎn)品都有潛在的應(yīng)用市場(chǎng)。 MEM和微光學(xué)技術(shù)的共同特征是它們都基于VLSI技術(shù)，兩者的結(jié)合就能產(chǎn)生一個(gè)新的、更寬廣的微光電機(jī)械系統(tǒng)，它已經(jīng)在激光掃描、光學(xué)開(kāi)關(guān)、動(dòng)態(tài)微透鏡 和集成光電－機(jī)電裝置等方面顯示出誘人的前景和產(chǎn)品市場(chǎng)，并將進(jìn)一步開(kāi)拓到微分光儀、微干涉儀和小型在線機(jī)械檢測(cè)系統(tǒng)等領(lǐng)域。在微機(jī)械、微電子支撐下的微 光學(xué)系統(tǒng)也更易商品化，從而形成二元光學(xué)產(chǎn)業(yè)。具有多層結(jié)構(gòu)的Amacronic焦平面預(yù)處理器是微光學(xué)、微電子學(xué)和微機(jī)械集成系統(tǒng)的典型應(yīng)用，它以并行 光學(xué)處理方式降低了對(duì)電子處理速度和帶寬的要求，增強(qiáng)了集成系統(tǒng)的處理能力和靈活性。多層微光電機(jī)械裝置的進(jìn)一步發(fā)展甚至可以模仿生物視覺(jué)原理，這個(gè)方向 的研究成果對(duì)于人類(lèi)將有無(wú)法估量的意義?？梢灶A(yù)見(jiàn)，光學(xué)工程師們能像今天的電子工程師們一樣，坐在計(jì)算機(jī)終端前，通過(guò)按動(dòng)鼠標(biāo)或敲擊鍵盤(pán)來(lái)設(shè)計(jì)組合二元光 學(xué)元件以及各種光機(jī)電組合系統(tǒng)，這一天的到來(lái)為時(shí)不會(huì)太久。