上一期節目我們摸了，哦不，介紹了傳統透鏡在成像系統中的長處和劣勢（詳情請戳：一顆透鏡的進化史1）。今天，我們不摸摸了，我們只瞅瞅（我真不是流氓~）。
首先，請把手機翻過來，背面朝上；然後，將眼睛聚焦到攝像頭右邊或者下面的閃光燈上；最後，努力觀察，並向其拋送一個媚眼（大霧）。有沒有看到什麼？Bingo！閃光燈上竟然被畫了好多圈圈！稍安勿躁，這並不是你的手機得罪了瀟灑哥（我不信只有我一個人看過《喜羊羊與灰太狼》。。。），而是一種特殊的光學透鏡，和傳統透鏡一樣的特殊透鏡。
二、一枝紅豔露凝香，雲雨巫山枉斷腸。
20世紀60年代似乎是一個神奇的時代，雷射的誕生、半導體工藝的蓬勃發展、CCD的發明，為無數行業帶來了新的生命。對於既古老又活躍的光學來說，這些新技術新工藝的出現，就像一劑，不，數劑強心劑，極大地推動了這門學科的高速發展。此外，光學元件和儀器也在逐漸向著小型化、陣列化和集成化的方向發展，由此，微光學這門光學分支應運而生。
總體而言，微光學包括兩個研究方向：基於折射原理的梯度折射率光學，以及基於光波衍射原理的衍射光學，又稱二元光學。前者主要是使用具有梯度折射率的介質設計和製造光學成像元件，這類透鏡又稱梯析（GRIN，Gradient-index）透鏡（實力挖坑1）。後者使用的器件被稱為衍射光學元件，於80年代由美國麻省理工學院（MIT）林肯實驗室Wilfrid B . Veldkamp帶領的研究組率先提出。這或許是扁平化設計的第一次嘗試。
Veldkamp當時描述道：「現在光學有一個分支，它幾乎完全不同於傳統的製作方式，這就是衍射光學，其光學元件的表面帶有浮雕結構；由於使用了本來是製作集成電路的生產方法，所用的掩模是二元的，且掩模用二元編碼形式進行分層，故引出了二元光學的概念。」
與傳統透鏡和GRIN透鏡不同的是，這類元件是基於光波的衍射理論，採用計算機輔助設計（CAD）和集成電路製備工藝（IC），在基片（wafer）或傳統光學器件的表面上刻蝕（etching）出高低不平深淺不一、具有特定浮雕結構的純相位衍射光學元件，從而實現對入射光相位進行調製。根據應用場景，衍射光學元件有很多不同種類，比如光柵、分束器，光束整形器、多焦點雷射透鏡、渦鏡頭等等。我們今天主要介紹一種最簡單、最常用的器件──菲涅爾透鏡（Fresnel lens）。
這種透鏡是物理光學的大神菲涅爾（詳情請戳：今天是你的生日，大神菲涅爾）於1819年為燈塔照明而設計，並於1822年正式投入使用的。由於燈塔所使用的探照燈光源不夠集中，亮度也不夠高，所以菲涅爾設計了這款比傳統透鏡更薄、卻有著更高光學性能的新型透鏡，將更多的光線聚集在中央，使得遠處的船隻也能看得很清楚，發揮燈塔指引航線的功能。
菲涅爾透鏡的設計原理是將傳統的球面或非球面鏡片的曲面分割成很多同心環，再將每一同心環移至同一平面上而成，即菲涅耳帶，使其具有平凸或平凹透鏡會聚或發散光線的特性。因為透鏡的作用是改變入射光線的相位，而改變量如果達到了2π，實際上不會對相位產生有效調製。因此，曲面分割的原理是，凡是改變2π相位的透鏡部分理論上是可以去掉的，由此我們就可以得到菲涅爾透鏡。如果你被這段話說暈了，那麼還是看圖吧，畢竟無圖無真相，一圖勝千言。
好了，通過這種方法我們現在設計了一款菲涅爾透鏡，透鏡凹槽深度和間距通常在1μm左右。接下來一個顯而易見的問題就是，我們該如何加工它？
傳統玻璃透鏡的製作工藝是採用模壓成型法，也就是將熔融狀態的光學玻璃毛坯倒入高於玻璃轉化點50℃以上的低溫模具中加壓成形。可是這種工藝對於菲涅爾透鏡的溝槽結構卻無能為力。一般來說，有兩種常見方案可用於加工菲涅爾透鏡：光刻（lithography）和壓印（imprint，大規模生產菲涅爾透鏡所採取的方案）（實力挖坑2）。
光刻基本原理
半導體器件製造工藝中的一個重要步驟，利用曝光和顯影在光刻膠層上刻畫幾何圖形結構，然後通過刻蝕工藝將光掩模上的圖形轉移到所在襯底上。下圖說明了光刻的基本流程。
然而在光刻工藝中，曲線是一個難度較大的加工面型，因此在加工之前我們需要對曲線面型進一步設計。通常採用的方法是用臺階對弧線進行擬合，為了保證衍射效率，弧形通常用四臺階進行擬合。這種擬合相當於數字通信技術中對得到的連續信號進行量化，其中必然會產生量化誤差，但這對於成像而言可以忽略不計。
確定了量化方案後，接下來是如何利用光刻在材料表面加工出這四個臺階。前面我們也提到過，衍射光學元件又稱二元光學，而這個名字正是取自半導體製備工藝中的多臺階面型加工方法。在光刻中，對某個特定區域我們通常只能定一個小目標，也就是刻掉或者保留（為了簡單起見，我們不考慮灰度光刻）。
所以，為了雕刻出四臺階的微觀結構，我們需要進行兩次光刻。第一次如左圖所示，利用第一塊掩膜版完成光刻流程並得到二臺階；第二次則在二臺階的基礎上用第二塊掩膜版重複光刻流程，並在特定位置得到第二組二臺階結構。
是不是很簡單？可是呢，原理雖然簡單，在實際光刻加工中卻有許許多多需要注意的問題，比如基底材料選擇、掩膜版製備（電子束刻蝕）、光刻膠的選用（正膠或者負膠）、曝光設備及刻蝕方案的選擇等（實力挖坑3）。不過不管怎樣，到此為止，我們終於能夠加工菲涅爾透鏡了。si不si吼開心？
那麼，加工這玩意兒能用來幹嘛呢？除了被菲涅爾用在了燈塔照明，實際上菲涅爾透鏡已經真正做到了「潤物細無聲」，在很多地方都可以見到其偉岸的身影。比如本文開頭提到的手機閃光燈，另外還有今年火得不要不要的VR設備。沒想到高大上的VR設備竟然也用到了菲涅爾透鏡吧？不信的話給你看圖啊！左側是HTC Vive的兩片菲涅爾透鏡（前幾天特意實地觀察了下，還真是這種樣子）。右側是一家正在眾籌的名為Wearality公司的Sky，也用到了兩塊大大的菲涅爾透鏡。（大圖更清晰）
是不是頓時覺得小小的菲涅爾透鏡一下子高大上起來了呢？別急，還沒完呢。菲涅爾透鏡也被用在了眼鏡片上來矯正斜視。2016年美國大選民主黨候選人希拉蕊·柯林頓的眼鏡就採用了菲涅爾透鏡的原理，瞧那左側鏡片上明顯的凹槽結構。
還有，在汽車大燈、太陽能、天文望遠鏡等諸多方面，菲涅爾透鏡都有著一席之地，si不si吼厲害？
如果你也覺得菲涅爾透鏡吼吼犀利，那麼請讓我看到你們歡呼的雙手好嗎？
好啦，說了這麼多總結一下。相對於傳統光學透鏡，衍射光學元件具有體積小、重量輕、結構緊湊、易於複製、成本低廉等優點，被廣泛用於各種波前校正、光束整形、微型光通訊等方面。然而，這種透鏡對入射光的相位調製實質上還是光程的積累，其變薄的秘訣只是在於摒棄了傳統透鏡中冗餘的2π相位。
那麼，聰明的你們肯定要問了，難道調製光波波前只能通過光程的積累這一種途徑嗎？NO！下一期節目我們將繼續這趟透鏡之旅，聊一聊最前沿的研究和進展──超表面透鏡。一定要來啊，不然我就
參考文獻：
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