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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。
二元光学元件因其在实现光波前变换上所具有的许多卓越的、传统光学所不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,因而被誉为/90年代的光学技术0。
2二元光学基本原理绝大多数二元光学器件和系统的设计计算是在标量衍射理论的框架中进行的,一般情况下,衍射的角谱理论能很好地解决二元光学所涉及到的问题[3]。
考虑一沿正z方向传播的单色光,即u i(x,y,z)=exp[i(2P/K)(x cos A+y cos B+z c os C)]投射到xy平面上,xy平面上有一衍射光学系统,设这一光学元件的透射函数为t(x,y),则紧靠衍射元件(z=0)后的平面上的场可写成第20卷第3期2004年9月金陵科技学院学报JOURNAL OF JINLING INSTITUTE OF TECHNOLOGYVol.20,N o.3Sep.,2004X收稿日期:2004-09-03作者简介:赵书安(1972-),男,江苏宿迁人,硕士研究生,讲师,现从事信息光学方面的研究。
u t (x ,y )=u i (x ,y )t(x ,y )(1) 则由傅里叶变换卷积定理和上式可得透射波角谱为U t (f x ,f y )=U i (f x ,f y )*T (f x ,f y )(2)其中U t (f x ,f y ),U i (f x ,f y ),T (f x ,f y )分别为u t (x ,y ),u i (x ,y ),t(x ,y )的傅里叶变换f x =cos A /K 、f y =cos B /K及cos C =(1-cos 2A -cos 2B )1/2当入射波是垂直入射的单位振幅平面波,则其角谱就是一个狄拉克D 函数,因而有U t (f x ,f y )=D (f x ,f y )*T (f x ,f y )=T (f x ,f y )(3)现在考虑一维锯齿形位相光栅[4],如图1(a )所示,设其周期为T ,锯齿深度为d ,材料的折射率为n ,工作波长K ,利用梳状函数,则其透射函数可表示成t(x )=E mD (x -mT )*rect (xT)exp (i 2P f o x )(4)(a)相息图 (b)21个位相台阶(c)22个位相台阶 (d)23个位相台阶图1 二元光学元件与相息图切面比较其中,f o =n -1K T d ,m 是整数,由(3)式可得U t (f x )=T (f x )=F {t (x )}=E mD (f x -mT)sinc [T (f x -f o )](5)因此,第m 级的振幅可表示为a m =sinc [T (mT-f o )](6)其衍射效率G m =a m #a *m ={sinc [m -n -1Kd ]}2(7)显然,当d =K /(n -1),m =1时,G 1=1,即满足条件d =K /(n -1)的一级闪耀的衍射效率为100%,60年代末出现的相息图(Kinoform )就是这种连续变化的位相坡面结构。
这就使得相息图的制作加工十分复杂,工艺要求也高,限制了其在实际中的应用。
二元光学的主要着眼点就是采用量化的办法将相息图连续变化的坡面用台阶来逼近,量化的次数越多,台阶数就越多,也就越趋于接近连续变化的坡面。
从图1可以看出,位相表面台阶数的增多使得元件表面趋于连续变化的位相坡面。
当我们将连续变化的位相坡面用台阶来逼近后,其衍射效率与台阶数之间将存在一定的关系。
对于L =2N (N 为刻蚀次数)的台阶数,设每个台阶的高度相同,令k 是自左向右的台阶序号,则此二元器件的透射函数可写成t(x )=E m D (x -mT )*{rect (x T )EL -1k=0exp (i 2P kf 0T /L )rectx -J T /LT /L}(8)由(3)式可得U t (f x )=E mD (f x -mT )exp (-i 2Pkf 0T /L )#(1/L )#sinc (f x T /L )#E L -1k=0ex pi 2P kT (f 0-f x )L(9)其衍射效率(对应m =1)为G 1=a 1#a *1=[sinc (1/L )]2(10)上式就是二元光学元件的衍射效率与台阶数之间的关系,在不考虑介质吸收的条件下,当刻蚀4次产生16位相表面台阶时,其衍射效率可达99%。
尽管衍射效率随位相表面台阶数的增加而增加,但随着位相表面台阶数的增加,其工艺难度也随之加大。
对于L=2N个表面台阶,需要进行N 次曝光和刻蚀工艺,而这些工作都是在微米级的表面上进行,所以在实际应用中,应根据不同使用条件的要求,结合器件制作的工艺条件,选择制作具有合适台阶数的二元光学元件。
3 二元光学元件的制作二元光学元件的制作一开始是利用早期的大规模集成电路的微电子加工(VLSI)技术,但二元光学元件是一种表面三维浮雕结构,需要同时控制23 第3期 赵书安:二元光学述略平面图形的精细尺寸和纵向深度,因而其制作难度更大。
目前,二元光学元件主要采用光刻法制作技术,其工艺流程一般包括三个步骤:掩模设计及制作,图形转印和基片刻蚀。
对于多相位等级的二元光学元件,则需要多次重复上述的三步工艺过程,进行掩模的套刻加工[5~7]。
其具体过程如下:首先按实际使用要求(包括波长范围、孔径、焦距、分辨率等),通过计算机设计确定器件表面的位相分布,然后按照相位的表面台阶数L ,通过半导体集成电路制版工艺等方法研制N 个二元振幅型掩模,将掩模覆盖在涂了感光层的片基上,对其进行曝光与处理,通过由计算机控制的电子束、离子束或激光束刻蚀机,在片基上产生符合要求的表面台阶起伏,对N 个掩模重复做N 次,并且每次掩模的位置都要严格地定位与对准,最终才能产生符合要求的具有L 个位相台阶的二元光学元件。
一般说来,用上述过程产生二元光学元件的母版,再通过复制母版进行大批量生产。
图2为二次量化产图2 二元光学元件的制作工艺过程生四位相台阶的二元光栅工艺过程。
首先用电子束或别的方法制成两块掩模,如100lines/mm 和200lines/mm ,然后在片基上蒸上抗蚀物质如铝图2a ,再涂上感光物质,将第一块掩模板(100lines/mm )覆盖在感光物质上光刻一次(图2b),用氰化钾腐蚀感光物质未遮盖的铝后清洗感光物质(图2c);将片基置于反应离子刻蚀机上对已曝光部分进行刻蚀(图2d ),其刻蚀深度为d 1=K2(n -1)由计算机控制,其中n 为片基的折射率,K 为光学元件的使用波长,此深度产生的位相为P ;将刻好的片基洗掉铝即可得到两位相表面台阶光栅(图2e);再用第二块掩模板(200lines/mm)重复上述过程套刻,位置要精确对准,刻蚀深度为d 2=K4(n -1),最后得到二次量化四位相表面台阶的光栅(图2e c )。
4 二元光学元件的主要进展经过近十年来的研究,二元光学已在理论设计、制作工艺和应用等方面取得了突破性进展[8]。
理论方面,二元光学由标量衍射理论向矢量衍射理论方向发展,并寻求更有效的设计方法。
衍射光学元件的设计理论可归结为两大类:标量衍射理论(Scalar Diffraction Theory)和矢量衍射理论(Vec -tor Diffraction T heory)。
通常情况下,二元光学元件的衍射特征尺寸大于光波波长,这时可采用标量衍射理论进行分析设计,二元光学元件的衍射效率与位相表面台阶数之间的数学表达式就是标量衍射理论的结果。
基于标量衍射理论的优化设计方法有误差减法及其修正法、爬山法、模拟退火法和遗传算法,在国内,中科院物理所杨国桢和顾本源始于1980年,提出任意线性变换系统中振幅-相位恢复的一般理论和杨-顾算法[9],并且成功地应用于解决多种实际问题和变换系统。
然而,随着加工工艺的迅速发展,二元光学元件的特征尺寸与光波长相当甚至更小,刻蚀深度更大,这时标量衍射理论中的假设和近似不再成立,光波的偏振性质和不同偏振光之间的相互作用对光衍射结果起着重要作用,必须用严格的求解麦克斯韦方程和适当的边界条件的矢量衍射理论及其设计方法。
基于矢量衍射理论而发展的几种有关的设计方法,如积分法、微分法、模态法和耦合波法,等。
总的说来,用这些理论方法设计二元光学元件都要进行复杂的和费时的计算机运算,而且仅适合于周期性的衍射元件结构,对于更复杂的衍射结构还有待于发展实用而有效的衍射理论。
制作方面的进展集中表现在:从二位相表面台阶向多位相表面台阶,甚至连续的位相坡面发展;从掩模套刻技术向无掩模直写技术发展。
