标量衍射理论文件
前沿学科。基于计算机辅助设计和微米级加工技术的平面浮雕二元光学器件具有重量轻、易于复制和制造的优点。
价格低廉等特点，并可实现传统光学难以完成的小型化、阵列化、集成化和任意波前变换等新功能，从而使光学工程与技术
它应用于现代国防科技和工业的许多领域，如空间技术、激光加工、计算技术和信息处理、光纤通信和生物医学等。
它显示了前所未有的重要作用和广阔的应用前景。20世纪90年代初，二元光学的研究在国际上兴起，同时
引起了学术界和工业界的极大兴趣和青睐。
随着现代光学和光电技术的飞速发展，光电仪器及其部件发生了深刻而巨大的变化。光学部件不仅具有
只有折射透镜、棱镜和镜子。微透镜阵列、全息透镜、衍射光学元件和梯度折射率透镜等新型光学元件。
它也越来越多地应用于各种光电仪器中，使光电仪器及其部件更加小型化、阵列化和集成化。微型光学元件
它是制造小型光电子系统的关键部件。它具有体积小、重量轻、成本低的优点，是普通光学元件难以实现的。
实现了小型化、阵列化、集成化、成像、波前转换等新功能。
光学是一门古老的科学。自伽利略发明望远镜以来，光学已经走过了几百年的漫长道路。20世纪60年代激光的出现推动了激光技术的发展。
随着光学技术的飞速发展，传统的基于折反射原理的光学元件(器件)，如透镜、棱镜等，都是机械铣、磨、抛光。
灯光等。不仅制造工艺复杂，而且部件尺寸大、重量重。在当前光机电一体化的趋势下，仪器
孩子变得臃肿笨重，这是极不匹配的。开发小型、高效、阵列化的光学元件是光学界的迫切任务。20世纪80年代中期，美国
中国麻省理工学院林肯实验室Veldkamp领导的研究小组率先提出了设计新型传感系统的“二元光学”概念。
读，他当时是这样描述的:“现在有一个光学的分支，和传统的制作方法几乎完全不同。这是衍射光学，以及它的光学元件。”
该片的表面具有浮雕结构；因为使用原始的制作方法制作集成电路，所以使用的掩膜是二进制的，掩膜也是二进制的。
代码形式是分层的，所以引入了二元光学的概念。“那么二元光学不仅作为一门技术，而且也作为一门学科迅速发展起来。
为了学术界和工业界的青睐，国际上掀起了一股研究二元光学的热潮。二元光学元件(器件)广泛用于光波转换
它具有许多传统光学所不具备的突出功能，有利于推动光学系统的小型化、阵列化、集成化和对外开放。
光学领域的新视野。到目前为止，对二元光学的准确定义还没有统一的看法，但一般认为二元光学
指基于光波的衍射理论，利用计算机辅助设计，以及超大规模集成电路制造工艺，在薄膜基底(或传统光
化学装置的表面)被蚀刻以产生具有两个或更多台阶深度的浮雕结构，形成一种具有纯相位、同轴再现和高衍射效率的衍射。
光学元件。它是光学和微电子学相互渗透和交叉的前沿课题。二元光学不仅在改造常规光学元件，也在改造传统光学。
它在技术上具有创新性，可以实现许多传统光学无法实现的目标和功能，因此被誉为“90年代的光学”。它
它的出现将给传统的光学设计理论和加工技术带来一场革命。二元光学元件来源于全息光学元件(HOE)，尤其是计算全息图。
信息元素。可以认为相息图是早期的二元光学元件。然而，全息元件效率低且离轴再现；互相地
尽管信息图是同轴再现的。但是工艺长期没有解决，所以进展缓慢，应用受限。二元光学技术同时解决了衍射元件的问题。
速率和处理问题。它近似具有多阶相位结构的信息图的连续浮雕结构。二元光学是微光学的一个重要分支。显微光学
它是研究微米和纳米尺寸光学元件的设计和制造技术，并利用这种元件实现光波的发射、传输、转换和连接。
一门新的理论和技术学科。微光学发展的两个主要分支是:(1)基于折射原理的梯度折射率光学，(2)衍射原理。
科学的二元光学。两者在器件性能和工艺制造上各有特色。二元光学是最具活力和发展前景的微光学领域。
部队的前沿分支。光学和电子学的发展基于微机械加工的两项关键技术:亚微米光刻和各向异性刻蚀。
微电子推动了二元光学的发展，微电子工业的进步得益于光刻水平的提高。此外，二元光学技术
分析了标量衍射理论和傅里叶光学，二元光学元件的衍射效率与相位阶次之间的数学表达式也是标量衍射
射影理论的结果。在这个范围内，二元光学元件的设计可以看作是一个逆衍射问题，即给定入射光场和所需的
衍射屏的透过率函数由出射光场得到。基于这种思想的优化设计方法大致有五种:Gershberg-Saxton。
(Gerchberg-Saxton)算法(GS)或误差减法(ER)及其修正算法，直接二分搜索法法(DBS也叫爬山法(HC))，模拟回归。
消防算法(SA)和遗传算法(GA)。其中，模拟退火算法是一种适合求解大规模组合优化问题的方法，具有描述简单的优点。
且具有使用灵活、应用广泛、运行效率高、受初始条件限制少等优点；遗传算法是生物学中一种对自然选择和自我的学习。
而遗传机制的高度并行性、随机性和自适应搜索算法将优胜劣汰的原则和基因交换机制结合起来，形成了一种遗传算法
搜索技术具有独特的优化机制，特别适合并行操作，已被应用于许多领域。在国内，中国科学院物理研究所
和顾提出了任意线性变换系统幅相恢复的一般理论和杨-顾(Y-G)算法，并成功地应用于求解。
解决各种实际问题，改造系统。在许多应用中，二元光学元件的特征尺寸是波长量级或亚波长量级，并且蚀刻
深度也很大(可达几个波长)，标量衍射理论中的假设和近似不再成立。这时，光波的偏振性质和偏振不同
光与光之间的相互作用对光的衍射结果起着重要的作用，因此有必要发展严格的矢量衍射理论及其设计方法。矢量衍射理论
基于电磁场理论，麦克斯韦方程组必须在适当的边界条件下严格求解，发展了积分等几个相关的设计理论。
方法、微分法、模态法和耦合波法。虽然前两种方法可以得到准确的结果，但它们难以理解和实施，并且需要复杂。
数值计算；相比较而言，模态法和耦合波法的数学过程相对简单，容易实现。两种方法都是相位调制。
模式法按模式展开电磁场，耦合波法按衍射级展开电磁场。
第二次扩张。因此，耦合波法涉及的数学理论相对简单，给出的是衍射级的观测系数，而不是电磁场。
模式系数。但一般来说，用这些理论方法设计二元光学元件需要复杂而费时的计算机操作，而且只适用于
周期性衍射元件结构。因此，当衍射结构的横向特征尺寸大于光波的波长时，光波的偏振特性变得不太重要。
传统的标量衍射理论仍然可以得到一些合理的结果。对于更复杂的衍射结构，需要开发实用有效的设计。
设计理论。二。制作技术的进展二元光学元件的基本制作技术是超大规模集成电路中的微电子加工技术。但是
而微电子加工属于薄膜图形加工，控制的主要是二维薄膜图形；二元光学元件是表面上的三维浮雕结。
结构，更难同时控制平面图形的精细尺寸和纵向深度。近年来，在超大规模集成电路加工技术，电子，分离
在亚刻蚀技术发展的推动下，二元光学制作技术的进步集中在:从二元相位元件到多阶相位元件
或者甚至是连续分布相位元件的发展；从掩膜叠加技术到无掩膜直写技术。最早的二元光学制造工艺是用图形制作头发。
用发生器和VLSI技术制作二阶相位衍射光学元件。到20世纪80年代后期，随着高分辨率掩模制造技术(如电子束)的发展
制版分辨率可达0.1μm)，提高掩膜版套刻和薄膜多次沉积的对准精度，可制作多阶相位二元光学元件，大
大大提高了衍射效率。然而，掩模的离散相位和对准误差仍然影响二元光学元件的制造精度和衍射效率。
高个子。所以在90年代初，研究了直写技术，省略了掩膜制造过程，用激光和电子束直接在基板上写所需材料。
二维或三维浮雕图案。使用这种直写技术，通过控制电子束在不同位置的曝光或调制激光束的强度，您可以
刻蚀出多级相位甚至连续分布的表面浮雕结构。无掩模直写技术更适合制作单个二元或多阶相位元件，或者简单。
通过使用激光掩模和覆盖，连续轮廓更适合于复杂轮廓和批量生产。在掩模图形的刻蚀技术中，目前主要
采用高分辨率反应离子刻蚀和薄膜沉积技术。离子束刻蚀的分辨率高达0.1μm，图形边缘陡峭精确。
，是一种理想的处理手段。二元光学元件的一大优点是容易复制。常用的复制技术有:浇铸法。
(铸造)、压花和注射成型。其中电铸和成型复制将是未来的规模化生产。
生产的主要技术。根据二元光学元件的特点，介绍了LIGA、溶胶-凝胶、热熔和离子等新技术。
扩散等技术也被应用于二元光学元件的加工，利用灰度掩模和PMMA紫外光敏胶也可以制作连续相位器件。第三，应该
随着二元光学技术的发展，二元光学元件已经广泛应用于光学传感、光通信、光计算、数据存储和激光等领域。
光学医疗、娱乐消费等特殊系统。或许可以说它的发展经历了三代。在第一代，人们使用二进制光。
科学技术对传统折射光学元件进行改进，以提高其常规性能，实现普通光学元件无法实现的特殊功能。这种
元件主要用于相位差校正和消色差。通常，衍射图案蚀刻在球面折射透镜的一个表面上，以实现折射/衍射复合像差消除和比较。
宽带中的非彩色。比如美国的Perkin-Elmer公司已经成功使用施密特望远镜消除球差。
；在远红外系统中，美国的Honey-well公司已经实现了复消色差，他们还利用二元光学技术来产生小光。
磁盘读/写磁头。此外，二元光学元件可以产生任意的波前来实现许多特殊的功能，具有重要的应用价值。例如材料加工和
表面热处理中的光束整形元件，医疗仪器中的氦氖激光聚焦校正器，光学并行处理系统(Isooptics)中的光学互连元件
强分束达曼光栅)和辐射聚焦装置。二元光学元件第一代应用技术已经成熟，全球有50多家公司。
通过使用混合特殊功能元件，正在设计一种新的光学系统。第二代主要用于微光学元件和微光学阵列。20世纪80年代末，两个
元光学已进入微光学领域，向小型化、阵列化方向发展，元件尺寸从十几个微米到1 mm .二元光学方法制作的高密度
度微透镜阵列具有较高的衍射效率，可以实现衍射受限成像。此外，当蚀刻深度超过几个波长时，微透镜阵列的行为
它显示了普通折射元件的特点，具有独特的优势:阵列结构灵活，可排列成矩阵、圆形或密排六边形；有能力生产
各种轮廓形状的透镜表面，如抛物面、椭圆面和合成面等。阵列透镜的“死区”可以减小到零(即，填充因子达到
100%)。这种高质量的衍射或折射微透镜阵列在光通信、光信息处理、光存储和激光束扫描等领域有着广泛的应用。
它有重要的应用。例如，二元微光学元件可以用作望远混合光学系统、智能光束控制、多通道微传感系统
轨迹处理、探测器阵列和自适应光学互连。目前正在发展的第三代，二元光学以多层或三维集成微光为目标。
科学，成像和复杂光学互连中的光束变换和控制。多层微光学可以将光的转换、探测和处理集于一体。
作为一种多功能的集成光电处理器，本研制将根据不同的光强做出一种自适应调节，检测目标的运动并进行自我调节。
可以移动图像传感器来确定背景中目标的位置。Veldkamp将这种新的二元光学技术与量子阱激光器阵列或
将SEED器件和CMOS模拟电子技术结合在一起，提出了“集成电路”的概念
焦平面结构与本地处理单元耦合，模拟在视网膜上进行近距离探测神经细胞而无需长时间处理。该系统具有边缘增强，
动态范围压缩和神经网络。这一代微光学技术的典型应用是多层光电网络处理器。这是焦平面准备。
原理技术，用二元光学元件提供灵活的反馈和非线性预处理能力。探测器硅衬底上的微透镜阵列聚焦入射信号光。
聚焦在阵列探测器的有源区，衬底的集成电路通过汇聚光线激发砷化镓铟二极管发光，发出光波的第二平面。
应时衬底两侧的衍射元件被引导至第三硅基片上的阵列探测器，二极管经集成电路处理后被激发发光...反过来。
按下以获取处理过的信号。这种多层焦平面预处理器的每一层都通过微光学阵列互连耦合，微光学阵列就是一个传感器。
的小型化、集成化和智能化。二元光学的发展趋势是基于衍射理论、计算机辅助设计和微加法
基于工程技术的光学领域前沿科学之一，超精细结构衍射元件的设计和加工是发展二元光学的关键技术。二
元光学的发展不仅使光学系统的设计和加工技术发生了深刻的变化，而且未来其总体发展趋势是微光学和微电子学。
化学与微机械集成技术及高性能集成系统。在未来，二元光学元件的研究可能会在以下几个方面发展。第一，有子浪。
长结构二元光学元件的研究(包括设计理论和制作工艺)这类元件的特征尺寸小于波长，它们的反射率、透射率
折射率、偏振特性和光谱特性都显示出与传统二元光学元件完全不同的特性，因此它具有许多独特的应用潜力，例如
它可用作抗反射元件、偏振元件、窄带滤光片和相位板。研究重点包括:建立正确有效的理论模型和超精度设计。
精细结构衍射元件；特殊波前变换的算法研究:发展波前工程，使微构件接近临界尺寸，发展亚波长。
结构衍射元件的应用推动了微光学的发展。2.到目前为止，还没有发现用于二元光学的CAD软件包的开发适用于不同的浮雕结构。
投影结构的简单有效的理论模型，二元光学元件的设计还比较欠缺，像普通的光学设计程序，可以找到任意的面形，
传递函数和系统畸变，界面友好的通用软件包。然而，随着通用设计工具的发展，二元光学元件可能会变得通用。
采用标准光学元件，已被广泛应用，并与常规光学相结合，形成新一代光学系统。
3.微光机电系统是二元光学研究的总趋势。微光机电一体化系统微机电微机电1991年，美国。
国家关键技术委员会向美国总统提交了《美国国家关键技术》报告，其中第八项是“微米级和纳米级制造”，即
微工程技术主要包括微电子学、微机械学和微光学，是为了发展新一代计算机。
先进的机器人和智能系统是推动机械、电子和仪器仪表行业集成化和小型化的核心技术。二元光学技术
它是微光学发展的重要支柱。二元光学元件可以直接蚀刻在集成电路芯片上，微光学阵列可以排列在一个芯片上。
列，甚至完全集成光电处理单元，这将导致各种全新的超密集传感系统的出现。
微型光电子学微型光学微电子图描述了微型工程技术的三个学科的交叉点。在微光学中获得
在取得显著进步的同时，另一门前沿科学——结合三维集成电路的MEMS也取得了飞速发展。
微机械加工方法的加工技术已经成功地用于提高传感器和执行器的性能并降低成本。基于这项新技术设计的微型传感器。
而微机械执行器，至少有一个维度的尺寸达到了微米级，其他维度都在几毫米以内，这对于军事、工业、消费都是非常重要的。
所有产品都有潜在的应用市场。MEM和微光学技术有一个共同的特点，都是基于超大规模集成电路技术，两者结合可以产生一个。
在激光扫描、光开关、动态微透镜和集成机电器件方面，已经显示出一种新的和更广泛的微机电系统。
显示了诱人的前景和产品市场，将进一步发展到差分光学仪器、微型干涉仪和小型在线机械检测系统等领域。在微型计算机中
由机械和微电子支撑的微光学系统也更容易商业化，从而形成二元光学产业。多层结构的消色差焦平面预处理
处理器是微光学、微电子和微机械集成系统的典型应用，通过并行光学处理降低了电子处理的速度和频带。
宽的要求，增强了集成系统的处理能力和灵活性。多层微机电器件的进一步发展，甚至可以模仿生物视觉元件。
科学，这个方向的研究成果将对人类产生不可估量的意义。可以预见，光学工程师可以像今天的电子工程师一样。
样本，坐在电脑终端前，通过按鼠标或敲击键盘来设计二元光学元件组合和各种光机电组合系统，这一天。
用不了多久……就会到来。
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