二元光学概述
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]。
二元光学
二元光学述略X赵书安(南京师范大学,江苏南京210097)摘要:本文介绍了二元光学的基本概念与原理,说明了二元光学元件的设计和制作过程,并总结了近十年来二元光学的进展情况。
关键词:二元光学元件;衍射效率;光刻中图分类号:O431文献标识码:A文章编号:1672-755X(2004)03-0022-04Brief Introduction to Binary OpticsZHAO Shu-an(Nanjing Normal U niversity,N ajing210097,China)Abstract:The basic concept and principle of binary optics are briefly review d in this paper,as well as the illustration of the design and manufacture processing of binary optical elem ents.The develop-ment of this subject in the recent10years is also summarized.Key words:binary optical element;diffraction efficiency;photolithography1二元光学概念二元光学的概念源于20世纪80年代中期,率先由美国M IT林肯实验室威尔得坎普(W B Veld-kam p)领导的研究小组在设计新型传感器系统时提出的,/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,其光学元件表面带有浮雕结构;由于使用了本来是制作集成电路的产生方法,所用的掩模是二元的且掩模用二元编码形式进行分层,故引出了二元光学概念0[1,2]。
至今二元光学概念还没有统一的定义,一般认为二元光学是指基于光的衍射理论,利用计算机辅助设计并用大规模集成电路制作工艺在片基(或传统光学器件表面)上刻蚀产生两个或多个台阶深度的浮雕结构,形成多位相、同轴再现且具有极高衍射效率的一类衍射光学元件的光学理论与技术。
二元光学面 反射镜 加工
二元光学面反射镜加工英文回答：Diffractive Binary Optics.Diffractive binary optics (DBO) is a type of optical element that uses the principles of diffraction to create a desired optical effect. DBOs are typically made by patterning a thin film of material with a series of binary (i.e., two-level) structures. The pattern of the structures determines the optical properties of the DBO, such as its focal length, magnification, and aberration correction.DBOs have a number of advantages over traditional refractive optics. First, they are much thinner and lighter than refractive optics, making them ideal for applications where space and weight are critical. Second, DBOs can be fabricated using a variety of low-cost manufacturing techniques, making them a cost-effective option for many applications. Third, DBOs can be designed to correct for awide range of aberrations, making them ideal for use in high-precision optical systems.DBOs are used in a wide variety of applications, including:Laser beam shaping.Holography.Microscopy.Telecommunications.Optoelectronics.Fabrication of DBOs.DBOs are typically fabricated using a two-step process. In the first step, a thin film of material is deposited onto a substrate. The material is typically a polymer or a metal. In the second step, the film is patterned with aseries of binary structures. The pattern of the structures is typically created using a photolithography process.The fabrication of DBOs is a complex and precise process. The following are some of the key factors that must be controlled in order to produce high-quality DBOs:The thickness of the film.The pattern of the structures.The etching depth.The sidewall angle.Applications of DBOs.DBOs have a wide range of applications in optics. Some of the most common applications include:Laser beam shaping: DBOs can be used to shape the beam of a laser into a desired shape. This is useful for avariety of applications, such as laser cutting, laser welding, and laser marking.Holography: DBOs can be used to create holograms. Holograms are three-dimensional images that can be viewed using a laser.Microscopy: DBOs can be used to improve the resolution of microscopes. This is useful for a variety of applications, such as medical imaging and materials science.Telecommunications: DBOs can be used to multiplex and demultiplex optical signals. This is useful for increasing the capacity of optical communication systems.Optoelectronics: DBOs can be used to create a varietyof optoelectronic devices, such as optical switches and modulators.Advantages of DBOs.DBOs have a number of advantages over traditionalrefractive optics. These advantages include:Thin and lightweight.Cost-effective.Can be designed to correct for a wide range of aberrations.Disadvantages of DBOs.DBOs also have some disadvantages. These disadvantages include:Can be difficult to fabricate.Can be sensitive to environmental factors.中文回答：衍射二元光学。
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。
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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。
二元光学元件在彩虹全息拍摄中的应用
二元光学元件在彩虹全息拍摄中的应用彩虹全息是一种非常具有特色的全息技术，它涉及到二元光学元件的应用。
二元光学元件是一种特殊光学元器件，其特点是可以对光的偏振状态进行控制。
在彩虹全息的拍摄中，二元光学元件的应用非常重要。
本文将从二元光学元件的基本原理、彩虹全息的基本原理、二元光学元件在彩虹全息拍摄中的应用等方面进行阐述。
1.二元光学元件的基本原理二元光学元件是一种光学偏振元件。
它的主要作用是改变入射光的偏振状态。
二元光学元件有许多种，其中最常见的是偏振分束器和偏振棱镜。
偏振分束器是一种通过将输入的线性偏振光分为两个互相垂直的线性偏振光的光学元件。
偏振棱镜是一种具有两个不同折射率的折射晶体组合而成的光学元件。
它可以将线性偏振光分解成两个正交偏振光，或将正交偏振光合成为线性偏振光。
2.彩虹全息的基本原理彩虹全息是一种把被拍摄物体的光场记录下来的全息技术。
在彩虹全息的拍摄过程中，先用激光把被拍摄物体的光场记录到全息底片上。
然后再用激光照射全息底片，这时可以看到被拍摄物体的三维立体影像。
而在全息底片上，由于记录了被拍摄物体的全息图像，因此在照射全息底片时，会因衍射效应而形成一彩虹光芒。
这就是彩虹全息的基本原理。
3.二元光学元件在彩虹全息拍摄中的应用在彩虹全息的拍摄中，二元光学元件有着非常重要的应用。
其主要作用有以下几点：(1)控制光的偏振状态。
由于彩虹全息需要记录入射光场的全部信息，而这个入射光场的偏振状态是比较重要的。
因此，在彩虹全息的拍摄过程中，需要使用二元光学元件将入射光的偏振状态进行控制，以保证全息图像的质量和准确度。
(2)抑制全息图像的显色。
在全息底片上，由于衍射效应的影响，会产生一定的显色效应。
这会影响到彩虹全息的观察效果。
在这种情况下，可以通过使用二元光学元件，将全息底片上的显色效应进行抑制，以获得较好的观察效果。
(3)提高全息图像的分辨率。
在全息底片上，由于衍射效应的影响，容易使全息图像的像质变得模糊。
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1.二元光学概述（含义发展背景,国内 外发展状况,特点）
2. 二元光学元件的设计方法 3. 二元光学元件的制作方法 4. 二元光学元件的应用（重点介绍） 5．深蚀刻二元光学元件 6. 结束语
2020/1/7
1.二元光学概述
传统光学 基于光波的折射和反射原理，利用透镜、
反射镜和棱镜等元件进行设计和实现各 种光学功能。 衍射效应总是导致光学系统的分辨率受 到限制，除了光波的色散性质可应用于 光谱学之外，传统光学总是尽量的避免 衍射效应造成的不利影响。
2020/1/7
3. 二元光学元件的制作方法
Preparing Mask 1 Subst rat e
Lithography Cleaning RIE Mask 2 Coating Mask 3 Coating
Examinat ion
2020/1/7
3. 二元光学元件的制作方法
Mask 1
substrate Mask 2
2020/1/7
1.二元光学概述
从1990年起，美国光学学会年会和国际 光学工程协会设有衍射光学与二元光学 专题讲座和衍射光学专题会议；美国和 欧洲的重要光学杂志分别出版衍射光学 专集。 作为一个新学科领域已经形成
2020/1/7
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
化、轻型化、可复制、价格低、可设计 产生任意形状的波前、 可把多种功能集 中于一个器件上等其他器件不可比拟的 特点。
发展迅猛，成为二十一世纪的前沿 学科。
2020/1/7
2. 二元光学元件的设计方法
二元光学元件示意图
2020/1/7
2. 二元光学元件的设计方法
2020/1/7
2. 二元光学元件的设计方法
CO2聚焦透镜。
2020/1/7
4.1 光束整形与匀化
CO2 激光在材料加工中的用途之一，是 用于材料的表面热处理。为了使材料表 面各点升温均匀，需要一种光束整形元 件，将高斯型强度分布的激光束转换成 平台型强度分布。
2020/1/7
1.二元光学概述
二元光学技术
是利用计算全息方法与大规模集成 电路技术和微细加工技术相结合，从而
在任意片基材料上制作出位相深度为2
的多台阶微浮雕结构的衍射微光学元件， 是一门新兴的前沿交叉综合学科和
高技术。
2020/1/7
1.二元光学概述
二元光学元件特点 以光的衍射为基本原理，具有微型
g
(
x
)
2
f (x x0 ) 2, 0,
x FW x FW
2020/1/7
2. 二元光学元件的设计方法
二元光学元件的设计步骤： (1) 编码过程 将原先振幅分布中所携 带的信息，尽可能多的编码到相位分布 中去。 在这个过程中将会引进编码噪声 (2) 量化处理 对连续分布的相位进行 分级量化处理。此时又会引起位相量化 噪声。 主 要 有 ： G-S 算 法 、 Y-G 算 法 及 SA(Simulation Annealing)算法。
2020/1/7
1.二元光学概述
六十年代，随着计算机制全息图以及相 息图的发明和成功的制作，引起了观念 上的重大变革。 人们认识到应用这些新型的衍射光 学元件，可方便灵活的控制光路以实现 多种光学功能，开辟光学系统设计的新 天地。
2020/1/7
1.二元光学概述
七十年代，在可见光和近红外光波段内 制作具有高衍效的超精细结构元件仍面 临困难，因而限制了这些元件的应用范 围。 与此同时，微电子工业在制作技术 方面也经历了一场革命，光学和电子束 制版以及干刻蚀技术逐渐发展成熟，已 成为制作精细结构元件的完善工具。
Mask 3
2020/1/7
4. 二元光学元件的应用
衍射光学元件以其能够灵活的变换波前、 集多种功能于一体和可复制等优良特性， 促使光学系统和器件走向轻型化、微型 化和集成化。这种新型的光学元件的应 用极为广泛。
2020/1/7
4. 二元光学元件的应用
微小光学系统中的微型元件 光学及神经网络计算、光学平行处理系
2020/1/7
2.二元光学元件的设计方法
二元光学元件的设计问题是去构造一个新的分布函数))
它满足以下三个条件：
(1) G(u) =1，(纯相位型元件，振幅为常数)；
(2) (u) 是 L 等级量化的(二元光学元件)； (3) G(u)的夫琅和费衍射花样 g(x) =FT{ G(u) } 的强度 分布 g(x)2 以高精度地逼近已知的强度信号 ： f (x) 2
2020/1/7
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。
2020/1/7
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。
2020/1/7
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。
2020/1/7
1.二元光学概述
1984年，在美国国防部及空军的支持下， 启动了一个名叫“二元光学” (binary optics) 的项目，极大地推动了衍射光学 的发展。 此后，衍射光学的研究日益活跃。
统中的光互连元件 宽场及红外成象系统中的元件 光学滤波和材料加工系统中的衍射元件 抗反射和偏振态控制的亚波长光栅结构 光束整型、光束列阵发生器、微型光通
信
2020/1/7
4. 二元光学元件的应用
外科医疗仪器中的双聚焦内窥透镜 光盘读出头的 NEC 衍射元件 能矫正色差畸变的 Redimax 热聚焦透镜 用于材料加工的高效能系列长寿命的