1. 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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