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最近了解了下二元光学,找了些资料什么的看了下。

首先说下衍射的问题

1 光的衍射

当光波在传播过程中遇到障碍物时偏离直线传播、强度发生重新分布的现象称为光的衍射。
两个要点:
(1)光波的波面可以看成连续分布的次波点源。
(2)次波点源之间是相干源,观察场中的衍射强度分布是次波点源发出的次波相干迭加的结果。

2.衍射与干涉的异同

相同点:干涉与衍射都是相干迭加,都遵循迭加原理
不同点:
1)、干涉是几个离散相干点源发出的光波相遇时的相干迭加,衍射则是无数个连续分布的次波点源发出的次波相遇时的相干迭加。
2)、求合光强的问题虽然都归结为先求出复振幅的和,然后取其共轭,但一个是通过Σ求和求得复振幅的和,一个是通过积分求得复振幅的和。
3)、离散相干点源是真实光源,其光线遵循几何光学传播规律,次波源是人为假设的相干点源,其光线一般不服从几何光学传播规律。

注意红色的字,其实衍射光学的设计以及二元光学的设计就是从这里出发的。

传统的大家学习到的衍射,是一般都是通过物体的边缘什么然后光束绕行于是就是衍射。就是说出现在了不该出现的地方。但是衍射光学元器件或者或二元光学元器件,它并不是光束通过边缘来实现的,它的机理就是上面红字的后半句。制造出无数个连续分布的次波源点来实现的。我理解上就是在玻璃材料上制造出阶梯为2pi的相位的台阶,来实现的。具体的一些数据,当然要靠公司的来计算了。

 

二元光学

二 元光学是基于光波衍射理论发展起来的一个新兴光学分支,是光学与微电子技术相互渗透、交叉而形成的前沿学科。基于计算机辅助设计和微米级加工技术制成的平 面浮雕型二元光学器件具有重量轻、易复制、造价低等特点,并能实现传统光学难以完成的微小、阵列、集成及任意波面变换等新功能,从而使光学工程与技术在诸 如空间技术、激光加工、计算技术与信息处理、光纤通信及生物医学等现代国防科技与工业的众多领域中显示出前所未有的重要作用及广阔的应用前景。

微光学两个主要分支:

基于折射原理的梯度折射率光学
基于光波衍射原理的衍射(二元)光学

比较

二 者在器件性能、工艺制作等方面各具特色。二元光学是微光学领域中最具活力、最有发展潜力的前沿学科分支。光学和电子学的发展都基于微细加工的两个关键技 术:亚微米光刻和各向异性刻蚀技术。微电子学推动了二元光学学科的发展,而微电子工业的进步则得益于光刻水平的提高。此外,二元光学技术的发展又将促进微 电子技术的发展与提高。例如,目前在大规模集成电路的制作中所采用的移相模版和在制作光纤光栅中所用的相位模版也都是建立在二元光学的基础上的。二元光学 技术一经提出就吸引了—些技术发达国家的注目,引起了各研究机构、大学及工业界的极大兴趣,并被MIT林肯实验室称为振兴和发展美国光学工业的主要希望, 可见其在整个光学领域的意义。

衍射光学定义:

基于光的衍射理论,利用计算机辅助设计、并用大规模集成电路制作工艺,在基片上(或传统光学器件表面)刻蚀产生两个或多个台阶深度的浮雕结构,它是一种纯位相衍射光学元件。

diffraction optics

diffraction optics

光学发展

随着近代光学和光电子技术的迅速发展,光电子仪器及其元件都发生了深刻而巨大的变化。光学零件已经不仅仅是折射透 镜、棱镜和反射镜。诸如微透镜阵列、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也越来越多地应用在各种光电子仪器中,使光电子仪器及其零部件 更加小型化、阵列化和集成化。微 光学元件是制造小型光电子系统的关键元件,它具有体积小、质量轻、造价低等优点,并且能够实现普通光学元件难以实现的微小、阵列、集成、成像和波面转换等 新功能。
光学是一门古老的科学。自伽利略发明望远镜以来,光学已走过下几百年的漫长道路。60年代激光的出现,促进了光学技 术的迅速发展,但基于折反射原理 的传统光学元(器)件,如透镜、棱镜等人都是以机械的铣、磨、抛光等来制作的,不仅制造工艺复杂,而且元件尺寸大、重量大。在当前仪器走向光、机、电集成 的趋势中,它们已显得臃肿粗大极不匹配。研制小型、高效、阵列化光学元件已是光学界刻不容缓的任务。 80年代中期,美国MIT林肯实验室威尔得坎普(Veldkamp)领导的研究组在设计新型传感系统中,率先提出了“二元光学”的概念,他当时描述道:“ 现在光学有一个分支,它几乎完全不同于传统的制作方式,这就是衍射光学,其光学元件的表面带有浮雕结构;由于使用了本来是制作集成电路的生产方法,所用的 掩模是二元的,且掩模用二元编码形式进行分层,故引出了二元光学的概念。”随后二元光学不仅作为一门技术,而且作为一门学科迅速地受到学术界和工业界的青 睐,在国际上掀起了一股二元光学的研究热潮。
二元光学于20世纪90年代初在国际上兴起研究热潮,并同时引起学术界与工业界的极大兴趣及青睐。

二元光学元(器)件功能

二元光学元(器)件因其在实现光波变换上所具有的许多卓越的、传统光学难以具备的功能,而有利于促进 光学系统实现微型化、阵列化和集成化,开辟了光学领域的新视野。关于二元光学概念的准确定义,至今光学界还没有统一的看法,但普遍认为,二元光学是指基于 光波的衍射理论,利用计算机辅助设计,并用超大规模集成(VLSI)电路制作工艺,在片基上(或传统光学器件表面)刻蚀产生两个或多个台阶深度的浮雕结 构,形成纯相位、同轴再现、具有极高衍射效率的一类衍射光学元件。它是光学与微电子学相互渗透与交*的前沿学科。二元光学不仅在变革常规光学元件,变革传 统光学技术上具有创新意义,而且能够实现传统光学许多难以达到的目的和功能,因而被誉为“90年代的光学”。它的出现将给传统光学设计理论及加工工艺带来 一次革命。二元光学元件源于全息光学元件(HOE)特别是计算全息元件(CGH)。可以认为相息图(Kinoform)就是早期的二元光学元件。但是全息 元件效率低,且离轴再现;相息图虽同轴再现。但工艺长期未能解决,因此进展缓慢、实用受限。二元光学技术则同时解决了衍射元件的效率和加工问题。它以多阶 相位结构近似相息图的连续浮雕结构。二元光学是微光学中的一个重要分支。微光学是研究微米、纳米级尺寸的光学元器件的设计、制作工艺及利用这类元器件实现 光波的发射、传输、变换及接收的理论和技术的新学科。

二元光学功能和特点

一、高衍射效率

高衍射效率:二元光学元件是一种纯相位衍射光学元件,为得到高衍射效率,可做成多相位阶数的浮雕结构。一般使用N块模版可得到L(=2N) 个相位阶数,其衍射效率为:η=|sin(π/L)/( π/L)|2。由此计算,当L=2、4、8和16时,分别有V=40.5%、81%、94.9%和98.6%。利用亚波长微结构及连续相位面形,可达到接 近100%的效率。

二、独特的色散性能

在—般情况下,二元光学元件多在单色光下使用。但正因它是一个色散元件,具有不同于常规元件的色散特性,故 可在折射光学系统中同时校正球差与色差,构成混合光学系统,以常规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带结构校正像差。这一方 法已用于新的非球面设计和温度补偿等技术中。

三、更多的设计自由度

在传统的折射光学系统或镜头设计中只能通过改变曲面的曲率或使用不同的光学材料 校正像差,而在二元光学元件中,则可通过波带片的位置、槽宽与槽深及槽形结构的改变产生任意波面,大大增加了设计变量,从而能设计出许多传统光学所不能的 全新功能光学元件,这是对光学设计的一次新的变革。

四、宽广的材料可选性

二元光学元件是将二元浮雕面形转移至玻璃、电介质或金属基底上,可用材料 范围大;此外,在光电系统材料的选取中,—些红外材料如ZnSe和Si等,由于它们有一些不理想的光学特性,故经常被限制使用,而二元光学技术则可利用它 们并在相当宽广的波段作到消色差;另外,在远紫外应用中,可使有用的光学成像波段展宽1000倍。
五、特殊的光学功能

二元光学元件可产生一般传统 光学元件所不能实现的光学波面,如非球面、环状面、锥面和镯面等,并可集成得到多功能元件;使用亚波长结构还可得到宽带、大视场、消反射和偏振等特性;此 外,二元光学在促进小型化、阵列化、集成化方面更是不言而喻了。

 

二元光学元件发展方向

今后二元光学元件的研究将可能在以下方面发展。

一、亚波长结构二元光学元件

具有亚波长结构的二元光学元件的研究(包括设计理论与制作技术) 这类元件的特征尺寸比波长还要小,其反射率、透射率、偏振特性和光谱特性等都显示出与常规二元光学元件截然不同的特征,因而具有许多独特的应用潜力,如可 以作为抗反射元件、偏振元件、窄带滤波器和相位板。研究重点包括:建立正确和有效的理论模型设计超精细结构衍射元件;特殊波面变换的算法研究;发展波前工 程学,以制作逼近临界尺寸的微小元件及开拓亚波长结构衍射元件的应用,推动微光学的发展。

二、二元光学的CAD软件包

二元光学的CAD软件包的开发至今尚未找到适合于不同浮雕衍射结构的简单而有效的理论模型,二元光学元件的设计仍缺乏像普通光学设计程序那样, 可以求出任意面形、传递函数及系统像差、具有友好界面的通用软件包。但随着通用设计工具的发展,二元光学元件有可能成为通用的标准光学元件,而得到广泛的 应用,并与常规光学结合,形成一代崭新的光学系统。

三、微型光机电集成系统

微型光机电集成系统是二元光学研究的总趋势微光电机械系统微光机械微电子机械微机械 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8项为“微米级和纳米级制造”,即微工程技术,它主要包括微电子 学、微机械学和微光学这三个相互关联相互促进的学科,是发展新一代计算机、先进机器人及智能化系统,促进机械、电子及仪器仪表工业实现集成化、微型化的核 心技术。二元光学技术则是发展微光学的重要支柱,二元光学元件有可能直接刻蚀在集成电路芯片上,并在一块芯片上布置微光学阵列,甚至完全集成化的光电处理 单元,这将导致包含各种全新的超密集传感系统的产生。二元光学