光學元件的製造方法有哪些

⑴ 集成光學的材料工藝

集成光學所用的媒質材料，要具有一定的折射率，一般是比襯底折射率高；做成光波導以後，傳輸損耗要求小於每厘米一分貝；媒質材料應具有多種功能，工藝上便於成膜和器件製作與集成；在外界各種工作環境下具有長期穩定工作的性能，已探索過的材料有玻璃、半導體、有機材料以及鐵電體等。
集成光學元器件的工藝技術主要涉及成膜與光路微加工。通常採用外延、質子轟擊、離子注入、固態擴散、離子交換、高頻濺射、真空蒸發、等離子聚合等作為成膜工藝；採用光刻、電子束曝光、全息曝光、同步輻射、光鎖定、化學刻蝕、濺射刻蝕(離子銑)、反應離子刻蝕作為光路微加工技術。另外，高速脈沖技術，則是測試和在應用中不可缺少的手段。研究得最多的是用固態擴散制備鈮酸鋰(LiNbO3)光波導及器件，用外延制備半導體異質結光波導和器件，用離子交換制備玻璃光波導。

⑵ 現代光學元件的檢測方法有哪些

現代光學元件的檢測內容與方法具體有下列幾個方面：
一、光學材料性能的檢測:：
折射率，色散，非均勻性，應力雙折射，氣泡與雜質，條紋，光吸收等
二、光學元件的基本量測量：
平面（棱鏡）：幾何尺寸
面形，角度，平行度
透鏡：幾何尺寸：外徑，厚度，倒邊
面形，中心偏
元件表面質量：劃痕,
麻點，粗糙度
元件薄膜:
厚度、均勻性、透過率、應力、形變、偏振等
三、光學系統特性參數的測量：
顯微鏡：放大率，數值孔徑
望遠鏡：焦距，放大率，相
對孔徑，視度
照相物鏡：相對孔徑，解析度，像面照度，
雜光系數
四、光學系統參數與像質檢測：
焦距與星點測量，解析度測量，幾何像差測量，波像差檢驗，透過率測量，像面照度測量，雜光系數測量，光學傳遞函數測量
五、光源和接收器、激光參量和波面質量的檢測等方面也都屬於光學檢測范圍。
另外，還有非光學量用光學測量的種種方法進行檢測：位移、形變、形貌等方面也都屬於光學檢測范圍。

⑶ 光學玻璃的生產方法

生產光學玻璃的原料是一些氧化物、氫氧化物、硝酸鹽和碳酸鹽,並根據配方的要求,引入磷酸鹽或氟化物。為了保證玻璃的透明度，必須嚴格控制著色雜質的含量，如鐵、鉻、銅、錳、鈷、鎳等。配料時要求准確稱量、均勻混合。主要的生產過程是熔煉、成型、退火和檢驗。
①熔煉有單坩堝間歇熔煉法和池窯(見窯)連續熔煉法。單坩堝熔煉法又可分為粘土坩堝熔煉法和鉑坩堝熔煉法。不論採用何種熔煉方式均需用攪拌器攪拌，並嚴格控制溫度和攪拌，使玻璃液達到高度均勻。粘土坩堝能熔煉絕大部分冕玻璃和火石玻璃，成本低，且在玻璃的熔化溫度超過鉑的使用溫度時採用。鉑坩堝可熔煉質量較高、對粘土坩堝有嚴重侵蝕作用的玻璃，如重冕、重鋇火石、稀土玻璃和氟磷玻璃。鉑坩堝用電加熱，一般採用硅碳棒或硅鉬棒電爐。但製造析晶傾向大、要求迅速降溫以及對氣氛有一定要求的玻璃，則可採用高頻加熱。
60年代以來，各國相繼採用內襯鉑的連續池窯熔煉，使光學玻璃的產量大大提高，質量也好，這是目前光學玻璃生產工藝發展的主要趨勢。
②成型光學玻璃的成型法有古典破堝法、滾壓法和澆注法，但目前越來越廣泛地採用漏料成型（用單坩堝或連熔流出料液），能直接拉棒或滴料壓型或漏料成型大尺寸的毛坯，提高料滴利用率和成品率。
③退火為了最大限度地消除玻璃的內應力，提高光學均勻性，必須制定嚴格的退火制度，進行精密退火。
④檢驗測定的指標有：光學常數、光學均勻度、應力雙折射、條紋、氣泡等。

⑷ 衍射光學元件製作方法包括磨具壓製法嗎

該光學系統還是普通的光學系統。所謂的二元光學理論，技術和器件，是指基於光波的衍射理論，運用計算機輔助設計，利用超大規模集成電路製作工藝，在片基上（或傳統光學器件表面上）刻蝕產生2個或多個台階深度的浮雕結構，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。比如反射型閃耀光柵之類的，二元光學元件有著無可比擬的優點：同軸使用，高衍射效率，可衍射成任意形狀的波場，可把多功能集於一個元件。在激光核聚變，光計算，光傳輸等有著重要的應用前景。祝好運！

⑸ 二元光學的功能和特點

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、傳統光學難以具備的功能，而有利於促進 光學系統實現微型化、陣列化和集成化，開辟了光學領域的新視野。關於二元光學概念的准確定義，至今光學界還沒有統一的看法，但普遍認為，二元光學是指基於 光波的衍射理論，利用計算機輔助設計，並用超大規模集成(VLSI)電路製作工藝，在片基上(或傳統光學器件表面)刻蝕產生兩個或多個台階深度的浮雕結 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光學元件，變革傳 統光學技術上具有創新意義，而且能夠實現傳統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」。它的出現將給傳統光學設計理論及加工工藝帶來 一次革命。二元光學元件源於全息光學元件(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、製作工藝及利用這類元器件實現 光波的發射、傳輸、變換及接收的理論和技術的新學科。 目前最常用的有激光束和電子束兩種直寫方法。激光直寫方法多制備那些最小線寬大於0.5µm的器件；而電子束方法則用於精度較高，適合加工最小水平線寬小於0.5µm的元件制備上。
激光直寫技術的原理是：首先按照元件的表面設計結構和抗蝕材料的顯影特性來計算並確定表面各點所需的曝光量的分布，並將數據存入計算機中，然後再對基片上的抗蝕劑進行掃描式的挨個曝光。顯影後在其表面形成連續變化的浮雕結構，適當的選擇試驗參數就可得到與理想結構十分接近的浮雕結構，還可以將抗蝕劑表面的結構轉移到襯底上再對其進一步刻蝕。 由於二元光學元件結構特點與集成電路（IC）不相同，無論用制備IC的哪一種工藝來製作光學元件都存在一定的不足，為此人們試圖拋開IC工藝，尋找一種適合於光學元件的加工方法。這方面工作進行的很活躍，其中研究最多也是最有前景的方法是變灰度掩模板法。
灰度掩模板的制備是利用圖片藝術中的做幻燈片技術的原理，將設計中的灰度連續變化或台階式變化的掩模圖形製成數據文件，然後再做成幻燈片，然後再經過10倍的精縮，並轉印到黑白膠片中就形成了變灰度掩模板，變灰度掩模板圖形再利用圖形轉移的技術，在基片的抗蝕材料形成多台階或連續變化的浮雕結構。該方法價格不高、一次成形而且無套刻對准誤差的困擾，是一種很有發展前景的二元光學元件的制備方法。

⑹ 什麼是光學製造

光學製造涉及的范圍很廣，我公司主要是窗口鏡、棱鏡、球面鏡、激光光學元件、紅外光學元件、鍍膜光學元件、波片、比色皿、光柵等光學鏡片，幾乎涉及到所有的光學玻璃材料和晶體材料。公司還自主研製了放大鏡、顯微鏡、觀靶鏡、擴束鏡及各類工業鏡頭。我們的產品80%銷往國外，同時向國內科研院校提供服務。我們接受OEM服務！

⑺ 微透鏡的微透鏡的製作工藝

微透鏡陣列作為一種重要的光學元件，具有體積小、重量輕、集成度高的特點，吸引了大量的目光。伴隨著半導體工業的發展，光刻和微細加工技術的提高，自上世紀八十年代起，相繼出現了一系列嶄新的微透鏡陣列製作技術。由於透鏡陣列器件分為折射型微透鏡陣列和衍射型微透鏡陣列，它們在製作工藝也開發出不同的方法。
3.1折射微透鏡的製作方法
由於折射微透鏡陣列器件在聚光、準直、大面陣顯示、光效率增強、光計算、光互連及微型掃描等方面越來越廣泛的應用，它的製作工藝和方法得到了日益深入的研究。到目前為止，已經出現很多制備折射微透鏡陣列的方法，光刻膠熱迴流方法、激光直寫方法、微噴列印法、溶膠一凝膠法、反應離子刻蝕法、灰度掩模法、熱壓模成型法、光敏玻璃熱成型法刪等。下面主要介紹幾種主流的微透鏡陣列製作方法。
(1)光刻膠熱迴流技術
光刻膠熱迴流法(熔融光刻膠法)是Poporie於1988年提出的，整個工藝過程可以分為三步，見下圖：一、對基板上的光刻膠在掩模的遮蔽下進行曝光，曝光圖案呈圓形，矩形或正六邊形；二、對曝光後的光刻膠進行顯影並清洗殘余物質；三、放置於加熱平台上，熱熔成型。由於這種方法具有工藝簡單，對材料和設備的要求較低，工藝參數穩定且易於控制，復制容易等優點，被廣泛地用於微透鏡陣列的製作當中。
然而利用這種技術製作的微透鏡陣列也存在諸多缺點：一、由於光刻膠對於基板材料存在浸潤現象，當光刻膠在熔融狀態時與基板的附著力是一定的，那麼當熔融光刻膠最終成型以後微透鏡球面輪廓與基板之間存在浸潤角，使微透鏡的邊緣存在一定的曲率，而中間部分下陷；二、一般情況下微透鏡陣列的填充因子不會超過80%，而且光刻膠在熔化後容易粘連，相鄰的熔融光刻膠一旦接觸後，不會形成透鏡的面形。由於填充因子不高，使入射的光不能充分利用，並且會引起背景雜訊；三、由於光刻膠本身的機械性能和化學性能比較差，光學性能也不高，不適於作為最終的微透鏡或其他微結構的材料。
(2)激光直寫技術
目前，由於激光直寫方法易於操作，並且具有製作的微光學元件尺寸小、精度高的優點，其在微精細研究和加工領域得到了廣泛的應用。激光直寫技術利用強度可變的激光束對塗在基片表面的光刻膠進行變劑量曝光，顯影後在光刻膠表面形成所需要的浮雕輪廓。激光直寫的最大優點是器件定位後可一次寫出多個相位階數或連續相位的二元光學器件，從而避免了多次掩模套刻喪失的共軸精度。激光直寫製作微透鏡陣列的工藝過程可以分為三步：
使用CAD設計出微透鏡陣列的曝光結構，並傳入激光直寫設備的系統當中；將塗敷有光刻膠的基片放置於直寫平台，對光刻膠進行激光寫入；對曝光後的光刻膠進行顯影並清洗殘余物質，最後得到排列整齊，結構均勻的微透鏡陣列結構。激光直寫法適用於高精度單件和模型製作。使用激光直寫製作完成微透鏡陣列的原型以後，使用的是鑄模工藝方法中的電鑄技術將微透鏡轉化為金屬模型，用於大規模的生產。由於電鑄復制工藝能夠保證最終產品的形狀，因此能夠對微透鏡陣列進行大規模的生產。利用這些先進的技術，重復製作出微單元結構，從而製作高品質低成本的微透鏡陣列元件。
3.2衍射微透鏡的製作方法
衍射微透鏡有會聚光能、矯正像差和成像的作用，並且體積小、質量輕、集成度高、易於復制而被廣泛地應用於紅外光電探測器、圖像識別和處理、光通訊、激光醫學、空間光學等許多領域。其主要的製作方法有二元光學技術、電子束直寫技術以及灰度掩模技術等方法。
（1）二元光學技術
上世紀八十年代中期，美國MIT林肯實驗室Veldkamp領導的研究組在設計新型的感測系統中，．率先提出了「二元光學』』的概念。它不同於傳統的製作方式，利用了製作集成電路的生產方法，使用的掩模是二元的，且掩模用二元編碼的形式進行分層。隨後二元光學迅速發展成為--I'-J技術，受到學術界和工業界的青睞。二元光學技術非常適合於衍射微透鏡陣列的製作，其中微透鏡的邊界容易做到整齊和尖銳，微透鏡陣列的填充因子可達100%，而且具有重量輕、造價低、易於微型化、陣列化等優點。二元光學採用相位量化的二元編碼和製作順序是在N個工藝步驟中形成的相位級數由N+I提高到2N，見圖1．2，大大減少了工藝步驟迭代的次數，降低了製造高衍射效率的衍射光學元件所需要的加工成本。二元光學台階衍射微透鏡製作過程基於成熟的微電子工藝，適於大批量生產。
當位相台階數增加時，二元光學元件也能象連續浮雕元件一樣，具有很高的衍射效率。當位相台階數分別為2、4、8、16時，理論衍射效率分別為4l%、81%、95%和99%。隨著台階數的增加，衍射效率增加，同時製作難度也會加大，對准精度要求也更高。為確保高的衍射效率和製作精度，需採用多次光刻和刻
蝕工藝來產生多位相台階衍射微透鏡。在光刻工藝中，二元光學元件的位相等級數L和所需的掩模數N之間存在這樣的關系：L=2Ⅳ。因此製作8相位台階和16相位台階微透鏡分別需要三塊和四塊掩模版。實際製作中一般採用三塊掩模版，經三次光刻和三次刻蝕技術製造八相位(或八台階)衍射微透鏡陣列，可基本滿足要求。微透鏡陣列的製作工藝主要包括掩模版的設計和製作，利用光刻技術將所設計的掩模版圖形轉印到光刻膠上，利用干法刻蝕或濕法刻蝕技術將光刻膠圖形高保真地轉移到襯底表面，形成所需的浮雕結構。
(2)電子束直寫技術
為了避免多次套刻出現的誤差累積問題，人們開發出了多種一次成型的加工技術，如金剛石車削法、激光直寫法、化學沉積法等。直寫法是比較實用的方法，分為電子束直寫、離子束直寫以及激光束直寫三種。採用電子直寫技術製作微光學器件始於80年代初，電子束直寫原理與激光束直寫不同，在進行直寫前，必須在基底上預先鍍一層導電膜(如Au，In，O，等)，以便曝光時泄露電子。電子束直寫的解析度非常高，美國加利福尼亞大學洛杉磯分校電子工程系利用電子束直寫技術製作的直徑為45um的微透鏡，其臨界尺寸僅為60nm。電子束直寫是製作亞波長結構微透鏡的重要手段。
(3)灰度掩模技術
灰度掩模技術利用灰度等級掩模版經一次光刻實現多台階衍射光學元件或連續位相變化的浮雕圖形，然後經刻蝕(或薄膜沉積)，將圖形高保真地轉移到基底上，見下圖。該技術把復雜的多次光刻和圖形轉移簡化為一次完成，無套刻中對准誤差等問題，適合於大批量生產，縮短了生產周期和降低了成本。灰度掩模技術關鍵之處就是灰度等級掩模版的製作。目前比較常用的兩種方法是彩色編碼掩模版和高能電子束敏感玻璃掩模版。前者利用不同顏色，表示不同的灰度等級，一種顏色代表一個灰度等級，四相位表面浮雕分布，用四種顏色表示，八相位浮雕表面分布用八種顏色表示，然後再將用顏色表示的灰度圖形，用高解析度彩色列印機列印在透明膠片上，再將此彩色膠片通過精縮轉到成黑白透明膠片上，這樣就形成了具有不同灰度等級掩模版，通過一次曝光可得到多相位台階的浮雕表面分布結構。這種掩模版解析度較低，器件的相位輪廓台
階束直接受到列印機彩色等級限制。高能電子束敏感玻璃掩模版(HEBS)利用其對不同能量電子束的敏感程度不同，形成透過率為台階變化或連續變化的真正灰度掩模版。這種掩模版解析度高，可達500個灰度等級，且掩模版製作過程簡單，成本低。利用HEBS扶度等級掩模版所製作的元件具有解析度高，衍射效率局等其它方法所無法比擬的優點。隨著扶度等級的升高。浮雕分布近似連續分布，但是扶度掩模的製作隨著其灰階的增多將變得十分困難，製作成本也將大幅度上。
以上所迷的各種微透鏡陣列的製作方法，對於製作小批量的微透鏡陣列較為台適。但是，直¨果需要大批量生產微透鏡陣列，以上方法就不太方便，而且成本高，總的生產過程復雜，產品均勻性難以保證。因此發展復制技術成為降低微光學器件成本、推J1應用的關鍵。一般在光刻膠表面製作微結構具有以下缺點：
一、光刻膠材料表面比較粗糙，易引起漫敞射，降低器件的光學性能；
二、光刻膠材料表面機械強度低，易受磨損且不適用於惡劣環境。

⑻ 二元光學的原理，要詳細

二元光學是基於光波衍射理論發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*而形成
的前沿學科。基於計算機輔助設計和微米級加工技術製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，並能實現傳統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、光纖通信及生物醫學等現代國防科技與工業的眾多領域
中顯示出前所未有的重要作用及廣闊的應用前景。二元光學於20世紀90年代初在國際上興起研究熱潮，並同時
引起學術界與工業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展，光電子儀器及其元件都發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
是製造小型光電子系統的關鍵元件，它具有體積小、質量輕、造價低等優點，並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展，但基於折反射原理的傳統光學元(器)件，如透鏡、棱鏡等人都是以機械的銑、磨、拋
光等來製作的，不僅製造工藝復雜，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。研製小型、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感測系統中，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，它幾乎完全不同於傳統的製作方式，這就是衍射光學，其光學元
件的表面帶有浮雕結構；由於使用了本來是製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。」隨後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、傳統光學難以具備的功能，而有利於促進光學系統實現微型化、陣列化和集成化，開辟
了光學領域的新視野。關於二元光學概念的准確定義，至今光學界還沒有統一的看法，但普遍認為，二元光學
是指基於光波的衍射理論，利用計算機輔助設計，並用超大規模集成(VLSI)電路製作工藝，在片基上(或傳統光
學器件表面)刻蝕產生兩個或多個台階深度的浮雕結構，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光學元件，變革傳統光學
技術上具有創新意義，而且能夠實現傳統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
的出現將給傳統光學設計理論及加工工藝帶來一次革命。二元光學元件源於全息光學元件(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、製作工藝及利用這類元器件實現光波的發射、傳輸、變換及接
收的理論和技術的新學科。微光學發展的兩個主要分支是：(1)基於折射原理的梯度折射率光學，(2)基於衍射原
理的二元光學。二者在器件性能、工藝製作等方面各具特色。二元光學是微光學領域中最具活力、最有發展潛
力的前沿學科分支。光學和電子學的發展都基於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展，而微電子工業的進步則得益於光刻水平的提高。此外，二元光學技術的

標量衍射理論和傅里葉光學進行分析的，關於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。基於這一思想的優化設計方法大致有五種：蓋師貝格－撒克斯通
(Gerchberg-Saxton)演算法(GS)或誤差減法(ER)及其修正演算法、直接二元搜索法(DBS也稱爬山法(HC))、模擬退
火演算法(SA)和遺傳演算法(GA)。其中模擬退火演算法是一種適合解決大規模組合優化問題的方法，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點；遺傳演算法是一種借鑒生物界自然選擇和自
然遺傳機制的高度並行、隨機、自適應搜索演算法，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
獨特優化機制的搜索技術，而且特別適用於並行運算，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中振幅－相位恢復的一般理論和楊－顧(Y-G)演算法，並且成功地應用於解
決多種實際問題和變換系統中。在許多應用場合中，二元光學元件的特徵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，必須發展嚴格的矢量衍射理論及其設計方法。矢量衍射理論
基於電磁場理論，須在適當的邊界條件上嚴格地求解麥克斯韋方程組，已經發展幾種有關的設計理論，如積分
法、微分法、模態法和耦合波法。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，並需要復雜的
數值計算；比較起來，模態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
區將電磁場展開，所不同的是它們的展開形式，模態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，而且僅適合於
周期性的衍射元件結構。因此，當衍射結構的橫向特徵尺寸大於光波波長時，光波的偏振屬性變得不那麼重要
了，仍可採用傳統的標量衍射理論得到一些合理的結果。對於更復雜的衍射結構，還有待發展實用而有效的設
計理論。 二、製作工藝方面的進展二元光學元件的基本製作工藝是超大規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
子刻蝕技術發展的推動下，二元光學製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
、甚至連續分布相位元件發展；從掩模套刻技術向無掩模直寫技術發展。最早的二元光學製作工藝是用圖形發
生器和VLSI技術製作二階相位型衍射光學元件。到80年代後期，隨著高解析度掩模版製作技術的發展(如電子束
製版解析度可達到0.1μm)，掩模套刻、多次沉積薄膜的對中精度的提高，可以製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准誤差，仍影響二元光學元件的製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，省去掩模製作工序，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分布的表面浮雕結構。無掩模直寫技術較適於製作單件的二元或多階相位元件，或簡單
的連續輪廓，而利用激光掩模和套刻製作更適合於復雜輪廓和成批生產。在掩模圖案的刻蝕技術中，目前主要
採用高解析度的反應離子刻蝕、薄膜沉積技術。其中離子束刻蝕的解析度高達0.1μm，且圖案邊緣陡直准確
，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點是便於復制，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於加工二元光學元件，還可利用灰階掩模及PMMA紫外感光膠製作連續相位器件。 三、應
用方面的進展隨著二元光學技術的發展，二元光學元件已廣泛用於光學感測、光通信、光計算、數據存儲、激
光醫學、娛樂消費以及其他特殊的系統中。也許可以說，它的發展已經經歷了三代。第一代，人們採用二元光
學技術來改進傳統的折射光學元件，以提高它們的常規性能，並實現普通光學元件無法實現的特殊功能。這類
元件主要用於相差校正和消色差。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)公司成功地用於施密特(Schmidt)望遠鏡上消除球差
；美國豪奈威爾(Honey-well)公司在遠紅外系統中，實現了復消色差，它們還採用二元光學技術製作出小型光
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、醫療儀器中的He-Ne激光聚焦校正器、光學並行處理系統中的光互連元件(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於成熟，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。第二代，主要應用於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、陣列化發展，元件大小從十幾個μm至1mm。用二元光學方法製作的高密
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，並具有獨特的優點：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」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感測系統中可作為望遠混合光學系統、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、探測出目標的運動並自
動確定目標在背景中的位置的圖像感測器成為可能。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，系統具有邊緣增強、
動態范圍壓縮和神經網路等功能。這一代微光學技術的典型應用是多層光電網路處理器。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，該基片的集成電路則利用會聚光激發砷化鎵銦二極體發光，其發射光波第二層平面
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，經集成電路處理後激發二極體發光……依次類
推，得到處理後的信號。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，它為感測器
的微型化、集成化和智能化開辟了新的途徑。 發展趨勢 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展二元光學的關鍵技術。二
元光學的發展不僅使光學系統的設計和加工工藝發生深刻的變革，而且其總體發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。今後二元光學元件的研究將可能在以下方面發展。一、具有亞波
長結構的二元光學元件的研究(包括設計理論與製作技術) 這類元件的特徵尺寸比波長還要小，其反射率、透射
率、偏振特性和光譜特性等都顯示出與常規二元光學元件截然不同的特徵，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；特殊波面變換的演算法研究；發展波前工程學，以製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，推動微光學的發展。二、二元光學的CAD軟體包的開發至今尚未找到適合於不同浮雕衍
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，可以求出任意麵形、
傳遞函數及系統像差、具有友好界面的通用軟體包。但隨著通用設計工具的發展，二元光學元件有可能成為通
用的標准光學元件，而得到廣泛的應用，並與常規光學結合，形成一代嶄新的光學系統。
三、微型光機電集成系統是二元光學研究的總趨勢微光電機械繫統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「微米級和納米級製造」，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相互促進的學科，是發展新一代計算機
、先進機器人及智能化系統，促進機械、電子及儀器儀表工業實現集成化、微型化的核心技術。二元光學技術
則是發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晶元上，並在一塊晶元上布置微光學陣
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感測系統的產生。
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於改善感測器和執行器的性能，降低費用。基於這種新技術設計的微感測器
和微機械執行器，至少在一個維數上的尺寸已達到微米量級，其他維數也小於幾個毫米，對軍用、工業和消費
產品都有潛在的應用市場。 MEM和微光學技術的共同特徵是它們都基於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繫統，它已經在激光掃描、光學開關、動態微透鏡和集成光電－機電裝置等方面顯
示出誘人的前景和產品市場，並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等領域。在微機
械、微電子支撐下的微光學系統也更易商品化，從而形成二元光學產業。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的典型應用，它以並行光學處理方式降低了對電子處理速度和帶
寬的要求，增強了集成系統的處理能力和靈活性。多層微光電機械裝置的進一步發展甚至可以模仿生物視覺原
理，這個方向的研究成果對於人類將有無法估量的意義。可以預見，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，通過按動滑鼠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，這一天
的到來為時不會太久。

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