二元光學(xué)
二元光學(xué)是基于光波衍射理論發(fā)展起來的一個新興光�(xué)分支，是光學(xué)與微電子技�(shù)相互滲�、交叉而形成的前沿�(xué)��
(圖源百科)
基于計算�(jī)輔助�(shè)計和微米級加工技�(shù)制成的平面浮雕型二元光學(xué)器件具有重量�、易�(fù)制、造價低等特點� 并能實現(xiàn)傳統(tǒng)光學(xué)難以完成的微�、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�(shù)在諸如空間技�(shù)、激光加�、計算技�(shù)與信息處�、光纖通信及生 物醫(yī)�(xué)等現(xiàn)代國防科技與工�(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�(xué)�20世紀(jì)90年代初在國際上興起研究熱�，并同時引起�(xué)�(shù) 界與工業(yè)界的極大興趣及青��
隨著近代光學(xué)和光電子技�(shù)的迅速發(fā)展，光電子儀器及其元件都�(fā)生了深刻而巨大的變化。光�(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� �、全息透鏡、衍射光�(xué)元件和梯度折射率透鏡等新型光�(xué)元件也越來越多地�(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�、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�，它具有體積�、質(zhì)量輕、造價低等�(yōu)�，并且能�?qū)崿F(xiàn)普通光�(xué)元件難以實現(xiàn)的微�、陣�、集成、成像和波面�(zhuǎn)換等 新功能�
光學(xué)是一門古老的科學(xué)。自伽利略發(fā)明望�(yuǎn)鏡以�，光�(xué)已走過下幾百年的漫長道路�60年代激光的出現(xiàn)，促�(jìn)了光�(xué)技�(shù)的迅速發(fā)展，但基于折反射原理 的傳�(tǒng)光學(xué)�(�)�，如透鏡、棱鏡等人都是以�(jī)械的�、磨、拋光等來制作的，不僅制造工藝復(fù)�，而且元件尺寸大、重量大。在�(dāng)前儀器走向光、機(jī)、電集成 的趨勢中，它們已顯得臃腫粗大極不匹配。研制小�、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MIT林肯實驗室威爾得坎普(Veldkamp)�(lǐng)�(dǎo)的研究組在設(shè)計新型傳感系�(tǒng)中，率先提出了“二元光�(xué)”的概念，他�(dāng)時描述道：� �(xiàn)在光�(xué)有一個分�，它幾乎完全不同于傳�(tǒng)的制作方式，這就是衍射光�(xué)，其光學(xué)元件的表面帶有浮雕結(jié)�(gòu);由于使用了本來是制作集成電路的生�(chǎn)方法，所用的 掩模是二元的，且掩模用二元編碼形式�(jìn)行分層，故引出了二元光學(xué)的概�?！彪S后二元光�(xué)不僅作為一門技�(shù)，而且作為一門�(xué)科迅速地受到�(xué)�(shù)界和工業(yè)界的� 睞，在國際上掀起了一股二元光�(xué)的研究熱��
二元光學(xué)�(�)件因其在實現(xiàn)光波變換上所具有的許多卓越的、傳�(tǒng)光學(xué)難以具備的功�，而有利于促�(jìn) 光學(xué)系統(tǒng)實現(xiàn)微型�、陣列化和集成化，開辟了光學(xué)�(lǐng)域的新視野。關(guān)于二元光�(xué)概念的準(zhǔn)確定�，至今光�(xué)界還沒有�(tǒng)一的看法，但普遍認(rèn)�，二元光�(xué)是指基于 光波的衍射理�，利用計算機(jī)輔助�(shè)�，并用超大規(guī)模集�(VLSI)電路制作工藝，在片基�(或傳�(tǒng)光學(xué)器件表面)刻蝕�(chǎn)生兩個或多個臺階深度的浮雕�(jié) �(gòu)，形成純相位、同軸再�(xiàn)、具有極高衍射效率的一類衍射光�(xué)元件。它是光�(xué)與微電子�(xué)相互滲透與�*的前沿學(xué)科。二元光�(xué)不僅在變革常�(guī)光學(xué)元件，變革傳 �(tǒng)光學(xué)技�(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�(dá)到的目的和功�，因而被譽為�90年代的光�(xué)�。它的出�(xiàn)將給傳統(tǒng)光學(xué)�(shè)計理論及加工工藝帶來 一次革�。二元光�(xué)元件源于全息光學(xué)元件(HOE)特別是計算全息元�(CGH)?？梢哉J(rèn)為相息圖(Kinoform)就是早期的二元光�(xué)元件。但是全� 元件效率�，且離軸再現(xiàn);相息圖雖同軸再現(xiàn)。但工藝長期未能解決，因此�(jìn)展緩�、實用受�。二元光�(xué)技�(shù)則同時解決了衍射元件的效率和加工問題。它以多� 相位�(jié)�(gòu)近似相息圖的連續(xù)浮雕�(jié)�(gòu)。二元光�(xué)是微光學(xué)中的一個重要分�。微光學(xué)是研究微米、納米級尺寸的光�(xué)元器件的�(shè)�、制作工藝及利用這類元器件實�(xiàn) 光波的發(fā)射、傳輸、變換及接收的理論和技�(shù)的新�(xué)��
微光�(xué)�(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(xué)�
(2)基于衍射原理的二元光�(xué)�
二者在器件性能、工藝制作等方面各具特色。二元光�(xué)是微光學(xué)�(lǐng)域中最具活力、最有發(fā)�?jié)摿Φ那把貙W(xué)科分�。光�(xué)和電子學(xué)的發(fā)展都基于微細(xì)加工的兩個關(guān)鍵技 �(shù)：亞微米光刻和各向異性刻蝕技�(shù)。微電子�(xué)推動了二元光�(xué)�(xué)科的�(fā)�，而微電子工業(yè)的�(jìn)步則得益于光刻水平的提高。此�，二元光�(xué)技�(shù)的發(fā)展又將促�(jìn)� 電子技�(shù)的發(fā)展與提高。例如，目前在大�(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�(chǔ)上的。二元光�(xué) 技�(shù)一�(jīng)提出就吸引了—些技�(shù)�(fā)�(dá)國家的注�，引起了各研究機(jī)�(gòu)、大�(xué)及工�(yè)界的極大興趣，并被MIT林肯實驗室稱為振興和�(fā)展美國光�(xué)工業(yè)的主要希�� 可見其在整個光�(xué)�(lǐng)域的意義。二元光�(xué)能獲得如此迅速的�(fā)�，除由于具有體積�、重量輕、容易復(fù)制等顯而易見的�(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(xué)元件是一種純相位衍射光學(xué)元件，為得到高衍射效�，可做成多相位階�(shù)的浮雕結(jié)�(gòu)。一般使用N塊模版可得到 L(=2N) 個相位階�(shù)，其衍射效率為：η=|sin(π/L)/( π/L)|2。由此計�，當(dāng)L=2�4�8�16�，分別有V=40.5%�81%�94.9%�98.6%。利用亞波長微結(jié)�(gòu)及連續(xù)相位面形，可�(dá)到接 �100%的效��
�、獨特的色散性能在—般情況�，二元光�(xué)元件多在單色光下使用。但正因它是一個色散元�，具有不同于常規(guī)元件的色散特�，故 可在折射光學(xué)系統(tǒng)中同時校正球差與色差，構(gòu)成混合光�(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)�(gòu)校正像差。這一� 法已用于新的非球面設(shè)計和溫度補償?shù)燃夹g(shù)��
�、更多的�(shè)計自由度在傳�(tǒng)的折射光�(xué)系統(tǒng)或鏡頭設(shè)計中只能通過改變曲面的曲率或使用不同的光�(xué)材料 校正像差，而在二元光學(xué)元件�，則可通過波帶片的位置、槽寬與槽深及槽形結(jié)�(gòu)的改變產(chǎn)生任意波面，大大增加了設(shè)計變�，從而能�(shè)計出許多傳統(tǒng)光學(xué)所不能� 全新功能光學(xué)元件，這是對光�(xué)�(shè)計的一次新的變��
四、寬廣的材料可選性二元光�(xué)元件是將二元浮雕面形�(zhuǎn)移至玻璃、電介質(zhì)或金屬基底上，可用材� 范圍�;此外，在光電系統(tǒng)材料的選取中，—些紅外材料如ZnSe和Si�，由于它們有一些不理想的光�(xué)特性，故經(jīng)常被限制使用，而二元光�(xué)技�(shù)則可利用� 們并在相�(dāng)寬廣的波段作到消色差;另外，在�(yuǎn)紫外�(yīng)用中，可使有用的光學(xué)成像波段展寬1000��
�、特殊的光學(xué)功能二元光學(xué)元件可產(chǎn)生一般傳�(tǒng) 光學(xué)元件所不能實現(xiàn)的光�(xué)波面，如非球�、環(huán)狀靀錐面和鐲面�，并可集成得到多功能元件;使用亞波長結(jié)�(gòu)還可得到寬帶、大視場、消反射和偏振等特�;� �，二元光�(xué)在促�(jìn)小型�、陣列化、集成化方面更是不言而喻了� 國內(nèi)外研究概� 80年代中期，美國國防部�(lǐng)先科研項目處(DARPA)對MIT林肯實驗室資助了名為“二元光�(xué)”的項目，其研究目標(biāo)為：
(1)�(fā)展一種基于微電子制作工藝的光�(xué)技�(shù)，用以節(jié)約資金和勞動�，獲取在�(shè)計和材料選擇上更多的自由�，并開發(fā)新的光學(xué)功能元件;
(2)推動光電系統(tǒng)整體的計算機(jī)輔助�(shè)�;
(3)在美國工�(yè)界廣泛應(yīng)用衍射光�(xué)技�(shù)�
�(jìn)�90年代，隨著微�(xì)加工技�(shù)的發(fā)�，以及為了得到高衍射效率的二元光�(xué)元件，其浮雕�(jié)�(gòu)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� 作方法仍基于表面分步成形技�(shù)，每次刻蝕可得到二倍的相位階數(shù)，故仍稱其為二元光學(xué)，而且往往就稱為衍射光�(xué)。在國內(nèi)，許多單位都開展了二元光�(xué)的研�� 鑒于二元光學(xué)的潛在價值和國際上的研究狀�，國�(nèi)一些有影響的光�(xué)專家90年代初就向國家自然科�(xué)基金委員會建議開展這方面的研究?？v觀國內(nèi)外研究現(xiàn)狀� 目前二元光學(xué)的研究重?fù)?dān)集中在三個領(lǐng)域：超精�(xì)衍射�(jié)�(gòu)的分析理論與�(shè)�;激光束或電子束直寫技�(shù)及高分辨率刻蝕技�(shù);二元光學(xué)元件在國�、工�(yè)及消費領(lǐng) 域的�(yīng)�。其中二元光�(xué)的CAD、掩模技�(shù)、刻蝕技�(shù)和LIGA(同步輻射光成�)技�(shù)是核心技�(shù)�
主要�(jìn)�
�(jīng)過近10年的研究，二元光�(xué)已經(jīng)在設(shè)計理�、制作工藝和�(yīng)用等方面取得了突破性的�(jìn)展�
一、設(shè)計理論方面的�(jìn)�
二元光學(xué)元件的設(shè)計問題十分類似于光學(xué)變換系統(tǒng)中的相位恢復(fù)問題：已知成像系�(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�(diào)制元件的� 位分布，使得它正確地�(diào)制入射波�，高精度地給出預(yù)期輸出圖樣，實現(xiàn)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�(yīng)用領(lǐng)域的�(kuò)�，二元光�(xué)元件 特征尺寸�(jìn)一步縮�，其�(shè)計理論已逐漸從標(biāo)量衍射理論向矢量衍射理論�(fā)展。通常情況�，當(dāng)二元光學(xué)元件的衍射特征尺寸大于光波波長時，可以采用標(biāo)量衍射理 論�(jìn)行設(shè)�。計算全息就是利用光的標(biāo)量衍射理論和傅里葉光�(xué)�(jìn)行分析的，關(guān)于二元光�(xué)元件衍射效率與相位階�(shù)之間的數(shù)�(xué)表達(dá)式也是標(biāo)量衍射理論的�(jié)果�
在此范圍�(nèi)，可將二元光�(xué)元件的設(shè)計看作是一個逆衍射問�，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�(shù)。基于這一思想的優(yōu)化設(shè)計方法大致有 五種：蓋師貝�-撒克斯�(Gerchberg-Saxton)算法(GS)或誤差減�(ER)及其修正算法、直接二元搜索法(DBS也稱爬山� (HC))、模擬退火算�(SA)和遺傳算�(GA)。其中模擬退火算法是一種適合解決大�(guī)模組合優(yōu)化問題的方法，它具有描述簡單、使用靈�、應(yīng)用廣�� 運行效率高和較少受初始條件限制等�(yōu)�;遺傳算法是一種借鑒生物界自然選擇和自然遺傳�(jī)制的高度并行、隨�(jī)、自適應(yīng)搜索算法，它將適者生存原理同基因交換 �(jī)制結(jié)合起�，形成一種具有獨特優(yōu)化機(jī)制的搜索技�(shù)，而且特別適用于并行運�，已被應(yīng)用到諸多�(lǐng)域。在國內(nèi)，中國科�(xué)院物理研究所楊國楨和顧本源提出任� 線性變換系�(tǒng)中振�-相位恢復(fù)的一般理論和�-�(Y-G)算法，并且成功地�(yīng)用于解決多種實際問題和變換系�(tǒng)��
在許多應(yīng)用場合中，二元光�(xué)元件的特� 尺寸為波長量級或亞波長量�，刻蝕深度也較大(�(dá)到幾個波長量�)，標(biāo)量衍射理論中的假�(shè)和近似便不再成立，此�，光波的偏振性質(zhì)和不同偏振光之間的相� 作用對光的衍射結(jié)果起著重大作用，必須�(fā)展嚴(yán)格的矢量衍射理論及其�(shè)計方�。矢量衍射理論基于電磁場理論，須在適�(dāng)?shù)倪吔鐥l件上�(yán)格地求解麥克斯韋方程 組，已經(jīng)�(fā)展幾種有�(guān)的設(shè)計理�，如積分法、微分法、模�(tài)法和耦合波法。前兩種方法雖然可以得到精確的結(jié)�，但是很難理解和實現(xiàn)，并需要復(fù)雜的�(shù)值計�; 比較起來，模�(tài)法和耦合波法的數(shù)�(xué)過程相對簡單�，實�(xiàn)也較容易。這兩種方法都是在相位�(diào)制區(qū)將電磁場展開，所不同的是它們的展開形式，模�(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�，耦合波方法涉及到的數(shù)�(xué)理論較為簡單，給出的是可觀察的衍射各級次的系數(shù)，而不是電磁場模式系數(shù)� 但總的來�，用這些理論方法�(shè)計二元光�(xué)元件都要�(jìn)行復(fù)雜和費時的計算機(jī)運算，而且僅適合于周期性的衍射元件�(jié)�(gòu)。因此，�(dāng)衍射�(jié)�(gòu)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�，仍可采用傳�(tǒng)的標(biāo)量衍射理論得到一些合理的�(jié)�。對于更�(fù)雜的衍射�(jié)�(gòu)，還有待�(fā)展實用而有效的�(shè)計理��
�、制作工藝方面的�(jìn)�
二元光學(xué)元件的基本制作工藝是超大�(guī)模集成電路中的微電子加工技�(shù)。但�，微電子加工屬薄膜圖形加�，主要需控制的是二維的薄膜圖�;而二元光�(xué)� 件則是一種表面三維浮雕結(jié)�(gòu)，需要同時控制平面圖形的精細(xì)尺寸和縱向深�，其加工難度更大�
近幾年來，在VLSI加工技�(shù)、電子、離子刻蝕技�(shù)�(fā)展的推動�，二元光�(xué)制作工藝方面取得的�(jìn)展集中表�(xiàn)在：從二值化相位元件向多階相位元�、甚至連續(xù)分布相位元件�(fā)�;從掩模套刻技�(shù)向無掩模直寫技�(shù)�(fā)展。最� 的二元光�(xué)制作工藝是用圖形�(fā)生器和VLSI技�(shù)制作二階相位型衍射光�(xué)元件。到80年代后期，隨著高分辨率掩模版制作技�(shù)的發(fā)�(如電子束制版分辨率可�(dá)�0.1μm)，掩模套刻、多次沉積薄膜的對中精度的提�，可以制作多階相位二元光�(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準(zhǔn)誤差� 仍影響二元光�(xué)元件的制作精度和衍射效率的提�。為此，90年代初開始研究直寫技�(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入所需的二� 或三維浮雕圖�。利用這種直寫技�(shù)，通過控制電子束在不同位置處的曝光�，或�(diào)制激光束�(qiáng)度，可以刻蝕多階相位乃至連續(xù)分布的表面浮雕結(jié)�(gòu)。無掩模直寫技 �(shù)較適于制作單件的二元或多階相位元�，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�(fù)雜輪廓和成批生產(chǎn)�
在掩模圖案的刻蝕技�(shù)�，目前主要采� 高分辨率的反�(yīng)離子刻蝕、薄膜沉積技�(shù)。其中離子束刻蝕的分辨率高達(dá)0.1μm，且圖案邊緣陡直�(zhǔn)確，是一種較為理想的加工手段。二元光�(xué)元件的一個很� 的優(yōu)點是便于�(fù)制，常用的復(fù)制技�(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)制將是未來大�(guī)模生�(chǎn)的主要技�(shù)。根�(jù)二元光學(xué)元件的特�，其他一些新工藝，例如LIGA、溶�-凝膠 (sol-gel)、熱溶及離子�(kuò)散等技�(shù)也被�(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�
�、應(yīng)用方面的�(jìn)�
隨著二元光學(xué)技�(shù)的發(fā)展，二元光學(xué)元件已廣泛用于光�(xué)傳感、光通信、光計算、數(shù)�(jù)存儲、激光醫(yī)�(xué)、娛樂消費以及其他特殊的系統(tǒng)�。也許可以說，它� �(fā)展已�(jīng)�(jīng)歷了三代。第一�，人們采用二元光�(xué)技�(shù)來改�(jìn)傳統(tǒng)的折射光�(xué)元件，以提高它們的常規(guī)性能，并實現(xiàn)普通光�(xué)元件無法實現(xiàn)的特殊功�。這類元件� 要用于相差校正和消色�。通常是在球面折射透鏡的一個面上刻蝕衍射圖案，實現(xiàn)�/衍復(fù)合消像差和較寬波段上的消色差。如美國柏金-愛爾� (Perkin-Elmer)公司成功地用于施密特(Schmidt) 望遠(yuǎn)鏡上消除球差;美國豪奈威爾(Honey-well)公司在遠(yuǎn)紅外系統(tǒng)�，實�(xiàn) 了復(fù)消色差，它們還采用二元光學(xué)技�(shù)制作出小型光盤讀寫頭。此外，二元光學(xué)元件能產(chǎn)生任意波面以實現(xiàn)許多特殊功能，而具有重要的�(yīng)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�(xué)并行處理系統(tǒng)中的光互連元�(等光�(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�(shù)已趨于成�，國際上�50多家公司正利用混合型特殊功能元件�(shè)計新型光�(xué)系統(tǒng)�
第二�，主要應(yīng)用于微光�(xué)元件和微光學(xué)陣列� 80年代�，二元光�(xué)�(jìn)入微光學(xué)�(lǐng)�，向微型�、陣列化�(fā)展，元件大小從十幾個μm�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 實現(xiàn)衍射受限成像。另外，�(dāng)刻蝕深度超過幾個波長時，微透鏡陣列表現(xiàn)出普通的折射元件特性，并具有獨特的�(yōu)點：陣列�(jié)�(gòu)比較靈活，可以是矩陣、圓形或密排 六方形排�;能產(chǎn)生各種輪廓形狀的透鏡表面，如拋物�、橢圓面及合成表面等;陣列透鏡的“死區(qū)”可降到�(即填充因子達(dá)�100%)。這類高質(zhì)量的衍射� 折射微透鏡陣列，在光通信、光�(xué)信息處理、光存儲和激光束掃描等許多領(lǐng)域中有重要的�(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)� �(tǒng)、光束靈巧控�、多通道處理、探測器陣列和自適應(yīng)光互連。第三代，即目前正在�(fā)展的一代，二元光學(xué)瞄準(zhǔn)了多層或三維集成微光�(xué)，在成像和復(fù)雜的光互連中 �(jìn)行光束變換和控制�
多層微光�(xué)能夠?qū)⒐獾淖儞Q、探測和處理集成在一�，構(gòu)成一種多功能的集成化光電處理�，這一�(jìn)展將使一種能按不同光�(qiáng)�(jìn)行適�(yīng)性調(diào) �、探測出目標(biāo)的運動并自動確定目標(biāo)在背景中的位置的圖像傳感器成為可�。Veldkamp將這種新的二元光學(xué)技�(shù)與量子阱激光陣列或SEED器件� CMOS模擬電子技�(shù)�(jié)合在一�，提出了“無長突神經(jīng)�(xì)胞電子裝�(Amacronic)”的�(shè)�，它把焦平面�(jié)�(gòu)和局域處理單元耦合在一起，以模仿視�(wǎng) 膜上無長突神�(jīng)�(xì)胞的近距離探�，系�(tǒng)具有邊緣增強(qiáng)、動�(tài)范圍壓縮和神�(jīng)�(wǎng)�(luò)等功�。這一代微光學(xué)技�(shù)的典型應(yīng)用是多層光電�(wǎng)�(luò)處理�。這是一種焦平面�(yù) 處理技�(shù)，它以二元光�(xué)元件提供靈活反饋和非線性預(yù)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�(fā)砷化鎵銦二極管發(fā)�，其�(fā)射光波第二層平面石英基底兩面的衍射元件引�(dǎo)到第三層面硅基底的陣列探測器上，�(jīng)集成電路處理后激�(fā)二極管發(fā)光……依 次類�，得到處理后的信�。這種多層焦平面預(yù)處理器的每一層之間則利用微光�(xué)陣列實現(xiàn)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� �(fā)展趨� 二元光學(xué)是建立在衍射理論、計算機(jī)輔助�(shè)計和微細(xì)加工技�(shù)基礎(chǔ)上的光學(xué)�(lǐng)域的前沿科學(xué)之一，超精細(xì)�(jié)�(gòu)衍射元件的設(shè)計與加工是發(fā)展二元光�(xué)的關(guān)鍵技�(shù)。二 元光�(xué)的發(fā)展不僅使光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計和加工工藝�(fā)生深刻的變革，而且其總體發(fā)展趨勢是未來微光�(xué)、微電子�(xué)和微�(jī)械的集成技�(shù)和高性能的集成系�(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�(jié)�(gòu)的二元光�(xué)元件的研�(包括�(shè)計理論與制作技�(shù)) 這類元件的特征尺寸比波長還要�，其反射�、透射�、偏振特性和光譜特性等都顯示出與常�(guī)二元光學(xué)元件截然不同的特�，因而具有許多獨特的�(yīng)用潛力，如可 以作為抗反射元件、偏振元�、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�(shè)計超精細(xì)�(jié)�(gòu)衍射元件;特殊波面變換的算法研�;�(fā)展波前工 程學(xué)，以制作逼近臨界尺寸的微小元件及開拓亞波長結(jié)�(gòu)衍射元件的應(yīng)用，推動微光�(xué)的發(fā)展�
�、二元光�(xué)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(jié)�(gòu)的簡單而有效的理論模型，二元光�(xué)元件的設(shè)計仍缺乏像普通光�(xué)�(shè)計程序那樣， 可以求出任意面形、傳遞函�(shù)及系�(tǒng)像差、具有友好界面的通用軟件�。但隨著通用�(shè)計工具的�(fā)展，二元光學(xué)元件有可能成為通用的標(biāo)�(zhǔn)光學(xué)元件，而得到廣泛的 �(yīng)�，并與常�(guī)光學(xué)�(jié)合，形成一代嶄新的光學(xué)系統(tǒng)�
三、微型光�(jī)電集成系�(tǒng)是二元光�(xué)研究的總趨勢微光電機(jī)械系�(tǒng)微光�(jī)械微電子�(jī)械微�(jī)� 1991�，美國國家關(guān)鍵技�(shù)委員會向美國總統(tǒng)提交了《美國國家關(guān)鍵技�(shù)》報告，其中�8項為“微米級和納米級制造�，即微工程技�(shù)，它主要包括微電� �(xué)、微�(jī)械學(xué)和微光學(xué)這三個相互關(guān)�(lián)相互促�(jìn)的學(xué)�，是�(fā)展新一代計算機(jī)、先�(jìn)�(jī)器人及智能化系統(tǒng)，促�(jìn)�(jī)�、電子及儀器儀表工�(yè)實現(xiàn)集成�、微型化的核 心技�(shù)。二元光�(xué)技�(shù)則是�(fā)展微光學(xué)的重要支�，二元光�(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�(xué)陣列，甚至完全集成化的光電處� 單元，這將�(dǎo)致包含各種全新的超密集傳感系�(tǒng)的產(chǎn)生�
微光電子�(xué)微光�(xué)微電子學(xué)圖示描述了微工程技�(shù)的三個學(xué)科相互交*相互影響形成的交*�(xué)�。在微光�(xué)取得令人注目的�(jìn)展的同時，另一門前沿科學(xué)—� 微電子機(jī)�(MEM)�(xué)取得了飛速的�(fā)�，這種�(jié)合三維集成電路處理技�(shù)的微�(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�?；谶@種新技�(shù)�(shè) 計的微傳感器和微�(jī)械執(zhí)行器，至少在一個維�(shù)上的尺寸已達(dá)到微米量�，其他維�(shù)也小于幾個毫�，對軍用、工�(yè)和消費產(chǎn)品都有潛在的�(yīng)用市場� MEM和微光學(xué)技�(shù)的共同特征是它們都基于VLSI技�(shù)，兩者的�(jié)合就能產(chǎn)生一個新的、更寬廣的微光電�(jī)械系�(tǒng)，它已經(jīng)在激光掃�、光�(xué)開關(guān)、動�(tài)微透鏡 和集成光�-�(jī)電裝置等方面顯示出誘人的前景和產(chǎn)品市�，并將�(jìn)一步開拓到微分光儀、微干涉儀和小型在線機(jī)械檢測系�(tǒng)等領(lǐng)��
在微�(jī)�、微電子支撐下的� 光學(xué)系統(tǒng)也更易商品化，從而形成二元光�(xué)�(chǎn)�(yè)。具有多層結(jié)�(gòu)的Amacronic焦平面預(yù)處理器是微光�(xué)、微電子�(xué)和微�(jī)械集成系�(tǒng)的典型應(yīng)�，它以并� 光學(xué)處理方式降低了對電子處理速度和帶寬的要求，增�(qiáng)了集成系�(tǒng)的處理能力和靈活�。多層微光電�(jī)械裝置的�(jìn)一步發(fā)展甚至可以模仿生物視覺原�，這個方� 的研究成果對于人類將有無法估量的意義。可以預(yù)�，光�(xué)工程師們能像今天的電子工程師們一�，坐在計算機(jī)終端�，通過按動鼠標(biāo)或敲擊鍵盤來�(shè)計組合二元光 �(xué)元件以及各種光機(jī)電組合系�(tǒng)，這一天的到來為時不會太久�