二元光学元件的设计与应用
二元光学在凸非球面零件检测中的应用
二元光学在凸非球面零件检测中的应用
二元光学是一种非常实用的光学技术，在工业生产中有广泛的应用。
而在凸非球面零件的检测中，二元光学也能够发挥其独特的优势，提高产品的质量和生产效率。
凸非球面零件是指表面不同于球面的凸曲面。
由于其形状的特殊性，传统的光学检测方法难以对其进行有效的检测。
而二元光学通过
将两个不同的光源进行叠加，形成明暗交替的条纹，从而达到对非球
面零件曲面的检测。
该技术需要特殊的设备支持，主要包括两个光源、一组精密的透
镜和检测器。
其中，两个光源需要同时照射到被测物体上，形成相互
交替的亮线和暗线。
而透镜和检测器则需要将这些亮暗条纹转化为数
字信号，从而获得凸非球面零件表面的精确信息。
通过二元光学技术进行凸非球面零件的检测，可以大大提高产品
的质量和生产效率。
它不仅可以检测零件的外形和曲率，还可以捕捉
到微小的表面缺陷和变形。
这有助于避免产品的无效制造和缺陷的产生，同时也减少了人工检测的时间和成本。
总之，二元光学技术在凸非球面零件检测中发挥着非常重要的作用。
它能够提高生产效率、降低成本，同时还能够保证产品的质量和
安全。
未来，随着技术的不断发展，相信二元光学技术将会在更多的
工业生产领域得到广泛应用。
二元光学PPT
1.二元光学概述
八十年代，各种新型的加工制作方法不 断涌现，能够制作高质量和多功能的衍 射光学元件。 随着元件尺寸的缩小，其精细结构 周期可与波长相比较时， 传统的衍射标 量理论不再适用，促使了衍射矢量理论 的发展，极大地推动了衍射光学的发展。
2013-7-4
1.二元光学概述
近年来， 更高级的设备 先进的制作技术 正确有效的理论模型 设计衍射光学元件的各种方法 由此一门新兴的光学分支——衍射 光学应运而生，并已成为二十一世纪光 学中的前沿研究领域之一。
2013-7-4
1.二元光学概述
1992年5月美国商业性杂志“ Photonics” 刊登一篇专题文章：“衍射光学大量产 生新一代的产品和拥有数百万美元的市 场” 表明：衍射光学产业正在形成
2013-7-4
1.二元光学概述
二元光学：是衍射光学的主要分支学科， 是研究微米、亚微米级特征尺寸光学元 件的设计、 微细加工技术及利用该元件 以实现光束的发射、聚焦、传输、成象、 分光、图象处理、光计算等一系列功能 的理论和技术的学科，是光学与微电子、 微计算机相互融合、渗透而形成的前沿 交叉学科。
2013-7-4
2. 二元光学元件的设计方法
二元光学元件示意图
2013-7-4
2. 二元光学元件的设计方法
2013-7-4
2. 二元光学元件的设计方法
2013-7-4
2.二元光学元件的设计方法
G(u)，
G(u) = G(u) exp( i (u ))
二元光学元件的设计问题是去构造一个新的分布函数
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4.2 像差较正 ——He-Ne激光聚焦校正器
He -Ne Laser He -Ne CO 2 ZnSe
二元光学元件的设计理论
二元光学元件的设计理论、特殊工艺与应用分析摘要：二元光学自从80年代提出以来，由于其具有衍射效率高，色散性能好，以及具有传统光学不具有的独特的光学性能，而获得了迅速的发展。
本文介绍了二元光学的发展历程、加工方法、特殊工艺，并阐述了常用二元光学器件的具体应用，及其发展方向。
为同类元器件的研制与推广提供参考。
关键词：微光学、二元光学、衍射、光刻工艺1、前言传统光学元件是基于折反射原理的器件，如透镜、棱镜等都是用机械或手工的方法进行加工，不仅制造工艺复杂、而且元件尺寸大、重量大，已不能适应现代光学设备小型化、阵列化的趋势。
80年代中期，美国MIT林肯实验室的威尔得坎普率先提出了“二元光学”的概念，二元光学有别于传统光学元件制造方法，基于衍射光学的原理，元件表面采用浮雕结构，制造上可以采用现有集成电路生产方法，由于采用二元掩模故称为二元光学。
关于二元光学的准确定义，至今还没有统一的看法，但目前的共识是二元光学基于光波衍射理论，利用计算机辅助设计、并采用超大规模集成电路制造工艺在元件表面蚀刻产生不同台阶深度的浮雕结构，形成具有极高衍射效率的衍射光学元件，是光学与微电子学相互渗透交叉的前沿学科[1]。
它的出现将给传统光学设计和加工工艺带来新的革命。
2、二元光学元件研究进展2.1 设计理论二元光学元件的设计类似于传统的光学元件的设计方法，已知入射光的光场分布，以及所要达到的输出平面的光场分布，如何计算中间光学元件的参数，使得入射光经过光学系统后光场分布符合设计要求。
但是它们之间不同之处在于传统光学设计软件采用的是光线追击以及传递函数的设计方法，而二元光学采用的是衍射理论及傅立叶光学的分析方法。
但是在设计方法上仍有其共同点：如修正算法、模拟退火法、二元搜索法等也同样适合于二元光学元件的设计。
由于在许多情况下，二元光学元件的特征尺寸在波长量级或亚波长量级，故标量衍射理论已不在适用，因此必须发展描述光偏振特性和不同偏振光之间相互作用的矢量衍射理论[2]。
二元衍射光学元件
二元衍射光学元件摘要：I.引言- 介绍二元衍射光学元件的背景和基本概念II.二元衍射光学元件的原理- 解释二元衍射光学元件的工作原理- 描述二元衍射光学元件如何通过光的衍射实现光束的整形III.二元衍射光学元件的应用领域- 介绍二元衍射光学元件在激光光束整形方面的应用- 探讨二元衍射光学元件在其他光学领域的应用前景IV.二元衍射光学元件的设计与制作- 简述二元衍射光学元件的设计过程- 介绍二元衍射光学元件的制作工艺和技术挑战V.结论- 总结二元衍射光学元件的重要性和未来发展前景正文：二元衍射光学元件是一种具有特殊光学性能的器件，它能够通过光的衍射现象对光束进行整形。
随着光学技术的不断发展，二元衍射光学元件在各个领域的应用越来越广泛，特别是在激光光束整形方面表现出了巨大的潜力。
二元衍射光学元件的工作原理是利用光的衍射现象，通过设计不同的衍射级数，实现对光束的波前整形。
它能够将输入的高斯光束转换为具有特定形状的光束，如矩形、圆环等。
这种光束整形能力使得二元衍射光学元件在激光加工、光通信、光学显示等领域有着广泛的应用。
在激光光束整形方面，二元衍射光学元件可以实现对激光光束的功率分布、光斑尺寸、光束质量等参数的调控，从而提高激光加工的精度和效率。
例如，在激光切割、焊接、打标等加工过程中，通过使用二元衍射光学元件，可以实现对激光光束的精确控制，从而提高加工质量。
除了在激光光束整形方面的应用，二元衍射光学元件还在其他光学领域展现出巨大的潜力。
例如，在光学显示领域，二元衍射光学元件可以实现对光的控制和调制，从而提高显示器的分辨率和色彩表现。
在光通信领域，二元衍射光学元件可以用于光波的调制和解调，从而实现高速、高效的光通信系统。
二元衍射光学元件的设计是一个复杂的过程，需要考虑光学元件的形状、材料、衍射级数等多种因素。
目前，已经有许多方法和算法被用于二元衍射光学元件的设计，如遗传算法、模拟退火算法等。
此外，制作二元衍射光学元件的工艺和技术也面临着许多挑战，如高精度加工、表面质量控制等。
二元衍射光学元件
二元衍射光学元件
二元衍射光学元件是一种基于光的干涉和衍射现象的光学元件，由两个或更多具有不同折射率或透振幅的层状结构组成。
它们可以通过使用二元掩膜制造，其中掩膜由二进制编码的形式进行分层，这使得元件的制造更加简单和高效。
二元衍射光学元件具有体积小、重量轻、易复制、造价低、衍射效率高、设计自由度多、材料可选性宽、色散性能独特等特点。
同时，它们能实现传统光学器件难以完成的整列化、集成化及任意波面变换的功能，这使得它们在以光学元件为基础的信息捕获、抽取、测量及控制等过程中具有极大的应用潜力。
在学术研究方面，二元光学的发展并不止于对现有光学器件的小型化和集成化。
实际上，其概念的提出为解决一些传统光学无法解决的问题提供了新的思路和方法。
例如，二元光学元件的特殊性质使得它在一些对精度和稳定性有极高要求的应用场景中具有显著的优势。
然而，尽管二元光学元件具有许多优点，但它们也有一些局限性。
例如，二元光学元件的设计和制造需要精确控制光的干涉和衍射过程，这需要高度的专业知识和先进的制造技术。
此外，虽然二元光学元件可以实现高精度的波前控制，但在一些需要高精度测量和控制的场合，还需要进一步改进和优化。
总的来说，二元衍射光学元件是一种具有很大潜力的光学元件，它在许多领域都有广泛的应用前景。
随着科学技术的不断发展和进步，我们有理由相信，二元光学将会在更多的领域得到应用和发展。
二元光学元件
1
二元光学( Binary Optics )是衍射 光学、微光学的主要分支学科，是光 学与微电子、微计算机相互融合、渗 透而形成的前沿交叉学科。是研究微 米、亚微米级特征尺寸光学元件的设 计、微细加工技术及利用该元件以实 现光束的发射、聚焦、传输、成象、 分光、图象处理、光计算等一系列功 能的理论和技术。
2
二、二元光学元件的结构
γ d x
闪耀光栅 光栅周期d，闪耀角γ
相位轮廓化
多阶相位轮廓光栅 γ d Δh x 光栅常数d/N，阶梯深度Δh
h
d sin , N
N 2n
3
折射透镜到二元菲涅尔透镜的演变过程
4
三、二元光栅夫朗和费衍射强度分布及特点
由图得以下关系：
A O B Δh d'
2
6
四、二元光学元件的制作方法
掩膜
刻蚀
刻蚀
刻蚀
光学光刻制作8台阶衍射微光学元件的原理
7 下一节
I sin m / N sin m I 0 m sin m 1 / N
2
1、衍射效率与台阶的数目N和衍射级次m有关；
2、台阶的数目N越大，＋1级的衍射效率越高。当N 趋于无穷时，能量将全部集中到＋1级上。此时
I sin / N I0 / N
第七节 二元光学元件
(Binary Optical Element，BOEs )
一、概念
基于光波的衍射理论，运用计算机辅助设计， 并运用超大规模集成电路制作工艺，在片基上刻蚀 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。
随之形成的一门新的学科分支，称二元光学 。
二元光学应用课件
04
二元光学在传感领域的应 用
二元光学在传感系统中的作用
信号转换
二元光学能够将待测信号转换为光信号，实现非 光学量与光学量之间的转换。
提高灵敏度
通过二元光学技术，可以显著提高传感系统的灵 敏度，实现微弱信号的检测。
降低噪声
二元光学能够降低噪声干扰，提高信号的信噪比， 从而提高传感精度。
二元光学在传感中的优势
调制器
调制器是光通信中的核心元件之一，用于将信息 加载到光信号上。二元光学调制器具有调制速度 快、调制精度高和稳定性好的优点，能够实现高 速、大容量的光信号调制。
滤波器
二元光学滤波器是一种具有窄带滤波特性的光学 器件，能够实现光信号的过滤和选择。在光通信 中，二元光学滤波器可用于信道选择、噪声抑制 和信号解调等方面。
二元光学在成像中的优到各种成像系统中。
高效率
二元光学元件具有高反射 率和透射率，能够有效地 利用光能，降低能耗。
高稳定性
二元光学元件具有优异的 热稳定性和环境稳定性， 能够在各种恶劣条件下保 持稳定的性能。
二元光学在成像中的具体应用案例
激光雷达与遥感
通过二元光学元件实现激光雷达的高精度测距和目标识别，用于 地形测绘、环境监测和无人驾驶车辆的导航。
光学加密与信息保护
利用二元光学元件实现信息加密和防伪鉴别的高安全性，用于保 护信息安全和知识产权。
感谢您的观看
THANKS
二元光学应用课件
• 二元光学简介 • 二元光学在通信领域的应用 • 二元光学在成像领域的应用 • 二元光学在传感领域的应用 • 二元光学在其他领域的应用
01
二元光学简介
二元光学的基本概念
总结词
二元光学是一种利用二元结构（如光栅、透镜等）对光进行调控的技术。
二元衍射光学元件
二元衍射光学元件一、二元衍射光学元件简介1.定义与特点二元衍射光学元件（Binary Defractive Optical Elements，简称BDOs）是一种具有周期性结构的光学元件，其表面形貌由两个不同的周期性图案组成。
与传统的光学元件相比，二元衍射光学元件具有重量轻、厚度薄、高数值孔径等特点，因此在光学系统中具有广泛的应用前景。
2.应用领域由于其独特的性能，二元衍射光学元件广泛应用于光纤通信、光学成像、光谱分析等领域。
二、二元衍射光学元件的原理1.光栅方程二元衍射光学元件的光栅方程为：m * λ = β * (a + b)其中，m为光栅级数，λ为入射光波长，β为衍射效率，a和b分别为光栅的上下表面高度。
2.衍射效果二元衍射光学元件通过对入射光的衍射，可以实现对光的传播方向和相位的调控，从而达到聚焦、成像、分光等光学功能。
三、二元衍射光学元件的制备与性能优化1.制备方法常见的二元衍射光学元件制备方法有激光微加工、电子束曝光、光刻等。
2.性能指标二元衍射光学元件的性能指标主要包括衍射效率、像差、成像质量等。
3.优化策略为提高二元衍射光学元件的性能，可以采用以下优化策略：（1）优化光栅结构，如调整光栅级数、间距等参数；（2）采用适当的制备工艺，降低表面粗糙度、提高光刻精度；（3）引入相位补偿结构，降低像差。
四、二元衍射光学元件在各领域的应用1.通信领域二元衍射光学元件在光纤通信中可作为光波导、光分路器等关键器件，实现光信号的传输和切换。
2.成像领域在光学成像系统中，二元衍射光学元件可作为成像元件，实现高质量成像。
如应用于微型摄像头、夜视仪等设备。
3.光谱分析领域二元衍射光学元件在光谱分析领域具有广泛应用，如用于光谱仪、色散器等设备。
4.其他领域此外，二元衍射光学元件还应用于激光加工、照明系统、生物医学成像等领域。
综上所述，二元衍射光学元件具有广泛的应用前景。
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激光分束器可用于多孔同时加工，光纤耦合等。 激光钻孔的具体应用包括包装工业中易撕裂的纸 箱和金属膜，香烟过滤嘴，方便面筛孔，液体和 气体排放管道，汽车安全气囊中金属片的预先弱 化，高速激光毛化等。 我们可以将一束激光分割成近百万束高度均匀的 激光束。
4.自聚焦微分滤波片
பைடு நூலகம்
将具有微分功能的位相型差频复合光栅 和具有聚焦功能的位相型菲涅耳波带板 组合而成的一个二元光学元件。其设计 的滤波器的掩膜版如图
80年代末, 随着计算机辅助设计（CAD） 和超大规模集成电路制造技术以及离子 束蚀刻技术的迅速发展, 出现了一种新的 光学元件的制作方法, 被称为二元光学技 术。它可以制作出一些有特殊功能且高 效率的衍射光学元件。
威尔得坎普(Veldkamp)
他在美国MIT林肯实验室设计新型传感系 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。”
二元光学的定义 二元光学元件的基本原理及特点 二元光学元件的设计 二元光学元件的应用
二元光学的定义
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。
二元光学的基本原理
二元光学元件的制作大体分为两部分: 产生所需波阵面的二元光学的模版的设 计。它使用光全息和计算全息原理; 设计出高衍射效率介质表面的位相结构。
5.光互连元件
这种二元老派光学 元件成功地完成了 Perfect Shuffle 互 连以及Clos 互连和 蝶形互连等几种互 连。如实现4×4 Shuffle 网络的二 元光学元件模版如 图
Shuffle 网络的 二元光学元件模版全 息图
输入图像
输出图像
更率 光 广的 纤 阔 互 的倍 联 空， 的 间为 技高 。超 术速 高 的光 速 传纤 移，输 互 动是率 连 设 可技 备 以术 传 达。 输标到 这 提准 种 供速 采 了 用 USB3.0
二元光学元件的优点
理论上可以获得任意需要的波前; 具有很高的衍射效率, 如4台阶量化结构 可达81% , 8台阶量化可达95% ; 这种二元光学元件出现在基片表面波长 量级的厚度内, 因而具有轻型的特点; 二元光学元件与传统的光学元件结合, 可使系统更为简洁, 并能校正系统像差
二元光学元件的设计
小结
从上面看到, 二元光学元件可以完成用传 统的光学元件难以处理的工作, 这些应用 将会丰富我们现有的光学元件家族, 当然， 更广泛的二元光学元件的应用研究, 还有 待于继续进行。
谢谢欣赏！
3.二元光学分束器
传统的双光束分束器件, 利用不同介质介 面的反射和折射原理, 在介质上镀一定的 膜系而得, 但要改变分束的能量比是比较 困难的, 常见的办法是在同一基片上在不 同的区域镀不同的膜系来实现的用微电 子技术可以制成空间结构变化的光栅,这 种光栅的衍射的正负一级能量随着结构 的变化而变化,分出的两束光的强度比可 以连续调节, 并易于复制、寿命长。
二元光学元件的特点
具有高的衍射效率 从理论上讲高效率的衍射光学元件中各 条纹间的位相变化是连续的（对应的元 件表面结构的浮雕深度是连续变化的）, 这种连续的位相变化在实际制作中是难 以获得的, 二元光学技术是将这种位相的 变化通过二进制量化用多台阶位相的方 法来逼近连续值。
闪耀光栅子剖面的多台阶逼近
2.衍射光学激光共振腔
一般的激光共振腔是由平面反射镜、球 面反射镜构成的, 出射的基模激光束的光 强分布是高斯型分布, 而且对高阶模的抑 制比较困难这在许多应用中是不利的, 用 二元光学技术可以制作具有所需要的反 射系数（包括位相和反射率）的反射镜, 从而出现一种新的激光共振腔它出射的 激光模式形状、光束的光强分布可以得 到控制, 并可以有很高的模式甄别能力。
通常情况下，当二元光学器件的衍射特 征尺寸大于光波长时，可以采用标量衍 射理论进行设计。但随着其制作工艺水 平的发展和衍射元件应用领域的扩展， 二元光学元件尺寸进一步缩小，其设计 理论已逐渐从标量衍射理论向矢量衍射 理论发展。
二元光学元件的设计问题类似于光学 变换系统中的位相恢复问题，如图
二元光学元件设计的一般模型
例如
Veldkamp等人用微电子技术成功地制作出二
元光学微透镜阵列这种元件可以在1c㎡的平板 玻璃表面制作2万个微透镜, 每个透镜直径仅 55um大小。
(a) 菲涅耳透镜极坐标下作出的 (b) 二元光学granscale暴露下,矩形的坐标 (c)异形波束扫描光栅的闪耀特性 (d)槽形与扫描方法
二元光学元件的设计与应用
物理1001
前言
长期以来, 提起光学元件, 人们很自然地 想到透镜、反射镜、棱镜和光栅等。随 着光学技术，特别是以光通信为代表的 光电子技术的不断蓬勃发展，以及光、 机、电一体化的趋势，对光学系统中的 元件提出了小型化、阵列化与集成化的 高要求。基于折反射的传统光学元器件 对此“心有余而力不足” ，难以满足使 用要求。
10Gbps(1.25GB/s) 2
Light Peak
6.其他
二元光学元件应用还有许多其他的报道, 如光计算中的光互连可以通过一个二元 光学元件将两组地址按一定要求连接起 来；光强高斯分布的光束通过一个二元 光学波整形器变成平顶型光束；它还能 制作光纤藕合器等等· · · · · ·
简单的二元光学元件
二元光学元件的应用
二元光学作为一种新的研究课题, 二元光 学元件的设计、微电子工艺水平以及它 的应用领域还有待于开拓但它的特性决 定了二元光学元件在光控制、光通信、 光互连以及光学元件的消象差、红外光 学系统、机器人视觉等许多高科技、民 用方面都将有开创性的应用
1.二元光学微透镜阵
半导体阵列激光器产生的激光阵列需要 聚合形成一个高功率的激光束，光计算 中将一个点光源产生N×N点阵列，集成 电路工艺中产生多重像等都需要微透镜 阵列。传统微透镜阵列是用小透镜排列 而成的, 这是非常困难的事情（尤其在透 镜很小时）