第一節(jié) 光學(xué)元件基本生產(chǎn)技術(shù)、工藝或流程

一、生產(chǎn)技術(shù)

二元光學(xué)自從80年代提出以來，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。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。它的出現(xiàn)給傳統(tǒng)光學(xué)設(shè)計(jì)和加工工藝帶來新的革命。

二元光學(xué)元件的設(shè)計(jì)類似于傳統(tǒng)的光學(xué)元件的設(shè)計(jì)方法，已知入射光的光場分布，以及所要達(dá)到的輸出平面的光場分布，如何計(jì)算中間光學(xué)元件的參數(shù)，使得入射光經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)后光場分布符合設(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。

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量級(jí)或亞波長量級(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。

二元光學(xué)元件基本制作工藝采用類似超大規(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)向無掩模直寫技術(shù)發(fā)展。

二、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，通常的制作過程如下：首先按實(shí)際要求（包括波長范圍、孔徑、焦距、分辨率等），通過計(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。一般來說，用上述方法產(chǎn)生二元光學(xué)元件母版，通過母版復(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，其具體介紹工藝：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在感光材料光刻一次，用氰化鉀腐蝕感光物質(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。

第二節(jié) 光學(xué)元件新技術(shù)研發(fā)、應(yīng)用情況

光學(xué)元件的出現(xiàn)，拓寬了普通光學(xué)應(yīng)用范圍。原則上利用光學(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。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器上，而通常光電探測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、用于生物視覺模擬系統(tǒng)

目前視覺數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)評(píng)價(jià)系統(tǒng)以探測器為基礎(chǔ)，可以產(chǎn)生類似于照相機(jī)的圖像，從這些圖像中經(jīng)過大量計(jì)算，獲得諸如角度、表面等特征，最后再以繪圖說明物體。使用微型光學(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)探測器單元上，制成有效的仿生視覺系統(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)測出物體變化位置的圖像傳感器。

3、其它

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。 

第三節(jié) 光學(xué)元件國外技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

世界光學(xué)元件產(chǎn)業(yè)主要集中在德國、日本、韓國和我國臺(tái)灣地區(qū)。鏡片和鏡頭的 研究 與制造在德國具有悠久的歷史與傳統(tǒng)，造就了萊卡(Leica)和卡爾•蔡司(Carl Zeiss)等光學(xué)元、組件巨頭，其鏡片與鏡頭至今仍被列為高檔產(chǎn)品。

1、美國

美國首先開展了保形光學(xué)的 研究 。CVD Rohm和 Haas公司對(duì)用化學(xué)氣相沉積方法制造保形光學(xué)導(dǎo)引頭罩進(jìn)行了 研究 。

化學(xué)氣相沉積方法可以產(chǎn)生理論上致密、無空隙、高純度（99.9995％）的具有優(yōu)異的光學(xué)、機(jī)械、熱及物理性能的多晶體材料，由于進(jìn)行的是原子級(jí)加工，所以可以達(dá)到很高的精度。同時(shí)，通過采用不同的芯模，可以加工出各種不同的高精度內(nèi)外表面。在實(shí)際應(yīng)用中，通常采用化學(xué)氣相沉積法加工內(nèi)表面，用單點(diǎn)金剛石車削加工外表面，用這種方法已經(jīng)加工出 SiC、Si、ZnSe、ZnS等材質(zhì)的工件。由于芯?？梢灾貜?fù)使用，故適用于頭罩的批量生產(chǎn)。

美國羅徹斯特大學(xué)光學(xué)制造中心(COM)在確定性微磨(DMG)和磁流變拋光(MRF)技術(shù) 研究 領(lǐng)域處于世界領(lǐng)先水平。COM于2004年采用確定性微磨方法加工出一個(gè)保形(拱形)光學(xué)導(dǎo)引頭罩。該頭罩長徑比1.37，選用氮氧化鋁（ALON）陶瓷材料，內(nèi)表面為離軸球面，外表面為非球面，內(nèi)外表面在頭罩頂點(diǎn)呈球面過渡。

2、日本

日本光學(xué)元件工業(yè)自二戰(zhàn)后進(jìn)步神速，日本利用具有吸引力的性能價(jià)格比，使日本光學(xué)元件后來居上，在全球光學(xué)元件市場逐漸占居優(yōu)勢，其主要生產(chǎn)企業(yè)有佳能(Canon)、尼康(Nikon)、富士(Fuji)、奧林巴斯(Olympus)，智能泰克(Chinontec)等。隨著日本光學(xué)元件工業(yè)的成熟和光學(xué)應(yīng)用產(chǎn)品的日益增加，特別是圖像信息類光電產(chǎn)品的快速增長，為使光學(xué)產(chǎn)品降低成本，日本的光學(xué)技術(shù)也逐漸擴(kuò)散到鄰近國家和地區(qū)，使包括臺(tái)灣、韓國，以及中國在光學(xué)元件生產(chǎn)上規(guī)模日益擴(kuò)大，涌現(xiàn)出了像臺(tái)灣亞洲光學(xué)、今國光學(xué)等具有世界先進(jìn)水平的企業(yè)。

近幾年來光學(xué)元件產(chǎn)業(yè)迅速向中國內(nèi)地轉(zhuǎn)移，目前日本、韓國、我國臺(tái)灣地區(qū)、美國和德國幾乎所有知名光學(xué)公司均已在中國設(shè)廠，中國內(nèi)地正逐步成為世界光學(xué)元件的主要加工生產(chǎn)地。

第四節(jié) 光學(xué)元件技術(shù)開發(fā)熱點(diǎn)、難點(diǎn) 分析

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。向微型化、陣列化方向發(fā)展。采用光學(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。將光學(xué)元件同微型機(jī)電設(shè)備相結(jié)合構(gòu)成一種新型的光電器件。

第五節(jié) 光學(xué)元件未來技術(shù)發(fā)展趨勢

1、 研究 具有亞波長結(jié)構(gòu)的二元光學(xué)元件。這類元件特征尺寸比波長小，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?，F(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軟件包開發(fā)。目前二元光學(xué)設(shè)計(jì)無法象傳統(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。

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