二元光學(xué)元件的設(shè)計(jì)理論

1、二元光學(xué)元件的設(shè)計(jì)理論、特殊工藝與應(yīng)用分析摘要：二元光學(xué)自從80年代提出以來(lái)，由于其具有衍射效率高，色散性能好，以 及具有傳統(tǒng)光學(xué)不具有的獨(dú)特的光學(xué)性能，而獲得了迅速的發(fā)展。本文介紹了二元光學(xué) 的發(fā)展歷程、加工方法、特殊工藝，并闡述了常用二元光學(xué)器件的具體應(yīng)用，及其發(fā)展 方向。為同類(lèi)元器件的研制與推廣提供參考。關(guān)鍵詞：微光學(xué)、二元光學(xué)、衍射、光刻工藝1、前言傳統(tǒng)光學(xué)元件是基于折反射原理的器件，如透鏡、棱鏡等都是用機(jī)械或手工的方法進(jìn)行 加工，不僅制造工藝復(fù)雜、而且元件尺寸大、重量大，已不能適應(yīng)現(xiàn)代光學(xué)設(shè)備小型化、 陣列化的趨勢(shì)。80年代中期，美國(guó)MIT林肯實(shí)驗(yàn)室的威爾得坎普率先提出了二元光 學(xué)”

2、的概念，二元光學(xué)有別于傳統(tǒng)光學(xué)元件制造方法，基于衍射光學(xué)的原理，元件表面 采用浮雕結(jié)構(gòu)，制造上可以采用現(xiàn)有集成電路生產(chǎn)方法，由于采用二元掩模故稱(chēng)為二元 光學(xué)。關(guān)于二元光學(xué)的準(zhǔn)確定義，至今還沒(méi)有統(tǒng)一的看法，但目前的共識(shí)是二元光學(xué)基 于光波衍射理論，利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、并采用超大規(guī)模集成電路制造工藝在元件表面 蝕刻產(chǎn)生不同臺(tái)階深度的浮雕結(jié)構(gòu)，形成具有極高衍射效率的衍射光學(xué)元件，是光學(xué)與 微電子學(xué)相互滲透交叉的前沿學(xué)科1。它的出現(xiàn)將給傳統(tǒng)光學(xué)設(shè)計(jì)和加工工藝帶來(lái)新 的革命。2、二元光學(xué)元件研究進(jìn)展2.1設(shè)計(jì)理論二元光學(xué)元件的設(shè)計(jì)類(lèi)似于傳統(tǒng)的光學(xué)元件的設(shè)計(jì)方法，已知入射光的光場(chǎng)分布，以及 所要達(dá)到的輸出

3、平面的光場(chǎng)分布，如何計(jì)算中間光學(xué)元件的參數(shù)，使得入射光經(jīng)過(guò)光學(xué) 系統(tǒng)后光場(chǎng)分布符合設(shè)計(jì)要求。但是它們之間不同之處在于傳統(tǒng)光學(xué)設(shè)計(jì)軟件采用的是 光線追擊以及傳遞函數(shù)的設(shè)計(jì)方法，而二元光學(xué)采用的是衍射理論及傅立葉光學(xué)的分析 方法。但是在設(shè)計(jì)方法上仍有其共同點(diǎn)：如修正算法、模擬退火法、二元搜索法等也同 樣適合于二元光學(xué)元件的設(shè)計(jì)。由于在許多情況下，二元光學(xué)元件的特征尺寸在波長(zhǎng)量 級(jí)或亞波長(zhǎng)量級(jí)，故標(biāo)量衍射理論已不在適用，因此必須發(fā)展描述光偏振特性和不同偏 振光之間相互作用的矢量衍射理論2。2.2加工工藝二元光學(xué)元件基本制作工藝采用類(lèi)似超大規(guī)模集成電路中微電子加工技術(shù)，而二元光學(xué) 元件采用表面三維浮雕

4、結(jié)構(gòu)，需同時(shí)控制平面尺寸及縱向深度，其加工難度更大。近年 來(lái)隨著超大規(guī)模集成電路技術(shù)的進(jìn)步，二元光學(xué)元件制作工藝的進(jìn)展主要表現(xiàn)在：從二 值化相位元件向多階相位元件，及連續(xù)分布的相位元件方向發(fā)展；從掩模套刻技術(shù)向無(wú) 掩模直寫(xiě)技術(shù)發(fā)展。2.3主要應(yīng)用（1）采用二元光學(xué)技術(shù)改進(jìn)傳統(tǒng)折射光學(xué)元件以提高其性能，這類(lèi)元件主要用于相差 校正和消色散。（2）應(yīng)用于微光學(xué)元件和微光學(xué)陣列3。80年代末，二元光學(xué)元件開(kāi)始向微型化、 陣列化方向發(fā)展。采用二元光學(xué)方法制作高密度微透鏡陣列衍射效率高，蝕刻深度在波 長(zhǎng)量級(jí)時(shí)，微透鏡陣列表現(xiàn)出普通衍射元件特性，且具有更優(yōu)良的光學(xué)特性。（3）同微型機(jī)電設(shè)備結(jié)合。將二元光學(xué)元

5、件同微型機(jī)電設(shè)備相結(jié)合構(gòu)成一種新型的光 電器件幗9.獾繾悠骷/OEMS ）。2.4發(fā)展方向（1）研究具有亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的二元光學(xué)元件。這類(lèi)元件特征尺寸比波長(zhǎng)小，其反射率、 透射率、偏振特性和光譜特性等都與常規(guī)二元光學(xué)元件截然不同，具有許多獨(dú)特的特性。 現(xiàn)在研究重點(diǎn)在于：建立正確有效的理論模型描述超精結(jié)構(gòu)的衍射元件，研究特殊波面 變換算法。（2）二元光學(xué)CAD軟件包開(kāi)發(fā)。目前二元光學(xué)設(shè)計(jì)無(wú)法象傳統(tǒng)光學(xué)設(shè)計(jì)程序那樣求 出任意面型的傳遞函數(shù)和系統(tǒng)相差的光學(xué)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標(biāo)準(zhǔn)光學(xué)元件，而得到廣泛應(yīng)用4。（3）發(fā)展微型光機(jī)電集成系統(tǒng)（MEOMS）。微電子學(xué)、微

6、機(jī)械學(xué)和微光學(xué)是發(fā)展新一 帶計(jì)算機(jī)、智能機(jī)器人和智能系統(tǒng)的核心技術(shù)，而二元光學(xué)是微光學(xué)的重要支柱，參照 超大規(guī)模集成電路的制作方法把二元光學(xué)器件蝕刻在集成電路基片上，有可能在一片芯 片上，集成整個(gè)光電處理單元。這三種技術(shù)相互結(jié)合，有效提高了器件效能，降低成本， 在軍事、工業(yè)和民用等方面，都有應(yīng)用市場(chǎng)潛力很大。3、二元光學(xué)元件制作工藝二元光學(xué)元件的制作最初利用早期大規(guī)模集成電路的微電子加工技術(shù)，但二元光學(xué)元件 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)尺寸和縱向深度因此與微電子 加工技術(shù)相比，二元光學(xué)元件的制作難度更大，通常的制作過(guò)程如下：首先按實(shí)際要求（包括波長(zhǎng)范圍、孔徑、焦距、分辨率

7、等），通過(guò)計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)確定器件 表面的相位分布，然后按照相位的表面臺(tái)階數(shù)，通過(guò)半導(dǎo)體集成電路制版等方法研制多 個(gè)振幅型掩膜，將掩膜覆蓋在涂有感光層材料的基片上，通過(guò)計(jì)算機(jī)控制的電子束、離 子束或激光蝕刻機(jī)，在片基上產(chǎn)生符合要求的表面臺(tái)階起伏，將所有掩膜曝光一遍，每 次曝光位置都要嚴(yán)格地定位與對(duì)準(zhǔn)，最終方可產(chǎn)生符合要求的具有L個(gè)相位臺(tái)階的二元 光學(xué)元件。一般來(lái)說(shuō)，用上述方法產(chǎn)生二元光學(xué)元件母版，通過(guò)母版復(fù)制，可進(jìn)行批量 生產(chǎn)。以二次量化產(chǎn)生四位相臺(tái)階的二元光柵為例具體介紹工藝：首先用電子束或其它方法制 成兩塊模版，然后在基片上蒸鍍抗蝕物質(zhì)，涂感光材料（鋁），將第一塊掩膜版（線對(duì) 較?。└采w在感光材

8、料光刻一次，用氤化鉀腐蝕感光物質(zhì)未遮蓋的鋁后清洗感光材料， 再將基片置于高分子蝕刻機(jī)上對(duì)已光刻部分進(jìn)行蝕刻，蝕刻深度由計(jì)算機(jī)控制，同樣方 法進(jìn)行第二次蝕刻，最后得到二次量化四位表面臺(tái)階光柵。4、二元光學(xué)元件的具體應(yīng)用二元光學(xué)的出現(xiàn)，拓寬了普通光學(xué)應(yīng)用范圍。原則上利用二元光學(xué)元件可以實(shí)現(xiàn)所有能 夠想得到的光學(xué)系統(tǒng)和組件。先決條件是具備先進(jìn)的微結(jié)構(gòu)制作工藝和方法。目前二元 光學(xué)元件主要有以下幾種具體應(yīng)用：（1）圖形識(shí)別和圖像處理。利用二元光學(xué)元件制成新的圖像識(shí)別系統(tǒng)，使整個(gè)系統(tǒng)對(duì) 物體形狀和各個(gè)細(xì)節(jié)的靈敏度提高，而對(duì)其尺寸和轉(zhuǎn)動(dòng)位置的靈敏度降低。二元光學(xué)可以制成細(xì)如發(fā)絲的微透鏡陣列，能夠方便的與其

9、它光學(xué)元件集成，是新一代 圖像處理系統(tǒng)中十分有效，且密集的部件5。利用這種系統(tǒng)進(jìn)行圖像識(shí)別和圖像處理， 利用這些微透鏡陣列可使入射光聚焦于微小的光電探測(cè)器上，而通常光電探測(cè)器又與自 己的圖像處理器相耦合，整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊。（2）用于生物視覺(jué)模擬系統(tǒng)。目前視覺(jué)數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)評(píng)價(jià)系統(tǒng)以探測(cè)器為基礎(chǔ)，可以產(chǎn) 生類(lèi)似于照相機(jī)的圖像，從這些圖像中經(jīng)過(guò)大量計(jì)算，獲得諸如角度、表面等特征，最 后再以繪圖說(shuō)明物體。使用微型二元光學(xué)透鏡，不僅縮小占位空間，而且可把數(shù)據(jù)加工 用處理器直接制作到每個(gè)探測(cè)器單元上，制成有效的仿生視覺(jué)系統(tǒng)，代替目前所用人工 模擬試驗(yàn)。在此基礎(chǔ)上，還可制成適應(yīng)亮度變化的、識(shí)別運(yùn)動(dòng)物體的、自動(dòng)測(cè)出物體變 化位置的圖像傳感器。（3）二元光學(xué)元件，可廣泛用于各種成像系統(tǒng)如制成高分辨率的平方米尺寸的三維平 面像屏，用作小型折疊式照相機(jī)的廣角鏡頭，CD游戲機(jī)和電視機(jī)光學(xué)系統(tǒng)；光學(xué)通信 技術(shù)上的乘法器；圖像電話的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)等。5、總結(jié)本文介紹了二元光學(xué)的發(fā)展歷程、加工方法、特殊工藝，并闡述了常用二元光學(xué)器件的 具體應(yīng)用，及其發(fā)展方向。為同類(lèi)元器件的研制與推廣提供參考。參考文獻(xiàn)金國(guó)藩，嚴(yán)瑛白，鄔敏賢.二元光學(xué).北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1998趙達(dá)尊.物理光學(xué).北京：北京理工大學(xué)出版社，1985姬揚(yáng)，張靜娟，姚得成，用于