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2025

二元光学与超构表面透镜

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二元光学算是一个学科或是一种光学技术；超构透镜的概念更倾向于一种器件。

它们的作用原理都是基于衍射光学，区别于以往的成像透镜、棱镜以及一些基于折射或反射的光学原理。

二元光学的产生契机差不多是得益于计算机技术以及微纳加工技术的发展，相较于传统光学折射器件，二元光学元件具具有轻薄、体积小、质量轻的特点，且可以通过复制的方式获得。

全息光学元件，尤其是计算全息对二元光学的发展具有很重要的意义，一般认为相息图就是早期的二元光学元件。对于该项技术为什么称作二元光学，有一本《二元光学》的书中做了如下的记述：二元光学是美国MIT林肯实验室Veldkamp领导的研究小组所提出的。Veldkamp说：“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继承电路的生产方法，所用的掩膜是二元的。且掩膜用二元编码形式进行分层，故引出了二元光学的概念”

以上很贴切地给出了二元光学概念的由来。

二元光学元件其实是一种纯相位的衍射元件，就是使用两种或多种高度的浮雕结构对元件的相位进行阶梯近似。

该类器件的衍射效率一般可以依据该公式求得，是相位的量化阶数。

根据笔者所看的文献，感觉90年代开始发展的二元光学主要还是研究大于波长单元的浮雕结构，器件设计多是依赖标量衍射理论，有很多光束整型相关的工作。那时候二元光学的研究很多关注于相位逆向算法的构建，因为二元光学元件设计就是一个逆衍射的问题，根据入射光场以及目标衍射场来求解衍射屏的透过函数。这个方向很活跃，我想与计算机的发展也有很大关系。

总之，二元光学元件多是考虑轴向浮雕结构尺寸的构建，利用多台阶结构构建衍射元件，这与之后产生的超构表面多是考虑垂直轴向结构尺寸的构建有所不同。而且超构表面的发展也得益于光学理论的发展，提出了很多不同相位突变方式，超构表面多是研究亚波长周期结构单元。

对于这两种器件没有很本质上的区别。看以往衍射元件的发展，以及超波长或亚波长衍射元件的设计，以及谐衍射消色散器件的设计，仿佛都能看到目前超构材料、超构表面研究的影子。

但是，有一定不同的是目前的光学微纳结构研究结合和固体物理、电子学等多学科的交叉，比以往衍射元件的研究更加丰富。

对二元光学感兴趣，可以看这两本书。

而对于超构透镜，这里粘贴复制之前的一篇文章：知识笔记| 超透镜与超构透镜。

目前将Superlens和Metalens都被称为超透镜/超构透镜，其实它们来自不同的研究方向或研究思想。

超透镜 (Superlens)是一种超材料，它可以实现超分辨成像，其研究思想主要来源于科研人员对“左手材料“的研究，即一种介电常数、磁导率都是负数的材料。Pendry, J. B. 在2000年理论性的分析了这种材料成像的可能性，并给出了负折射率平板可以作为“完美透镜”的相关证明。

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