近年來，基于計(jì)算機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)字化技術(shù)高速發(fā)展，深入?yún)⑴c到科學(xué)研究、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)管理的方方面面。從物理學(xué)的角度看，數(shù)字化技術(shù)的核心在于對電子和光子的離散化調(diào)控：對電子（費(fèi)米子）的調(diào)控形成了電子技術(shù)，對光子（玻色子）的調(diào)控形成了光子技術(shù)，它們構(gòu)成了數(shù)字經(jīng)濟(jì)的科技基礎(chǔ)。在現(xiàn)代社會(huì)，數(shù)字信息的存儲(chǔ)、處理、傳輸、顯示等都與電子和光子技術(shù)密切相關(guān)。
從自然的模擬信號(hào)向人造的數(shù)字信號(hào)發(fā)展（即數(shù)字化）是電子和光子技術(shù)的重要趨勢。歷史上，電子技術(shù)的數(shù)字化取得巨大成功。在電子技術(shù)的數(shù)字化過程中，真空管被晶體管替代，二極管、三極管和邏輯門等基本元件不斷地小型化、集成化，推動(dòng)了集成電路技術(shù)以及計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的迅猛發(fā)展。例如，世界上第一臺(tái)通用電子計(jì)算機(jī)ENIAC采用電子管進(jìn)行計(jì)算，占地面積約170平方米、重達(dá)27噸，但每秒僅能進(jìn)行5000次加法運(yùn)算；作為對比，今天普通商用計(jì)算機(jī)芯片的算力都已達(dá)到數(shù)百億次每秒（浮點(diǎn)運(yùn)算）。
長期以來，電子芯片的發(fā)展遵循摩爾定律（芯片上集成的電路數(shù)目每隔18個(gè)月翻一番），而支撐摩爾定律不斷發(fā)展的是光學(xué)微細(xì)加工技術(shù)。與光學(xué)加工技術(shù)逐漸逼近“衍射極限”同步，電子芯片的物理尺寸也已經(jīng)逼近物理極限，特別是在經(jīng)典馮?諾依曼架構(gòu)下，存在著存儲(chǔ)墻、功耗墻等難以逾越的瓶頸。早在20多年前，國際上即有人預(yù)言“后摩爾時(shí)代”即將來臨。
數(shù)字化推動(dòng)光子技術(shù)發(fā)展
光子技術(shù)是21世紀(jì)信息領(lǐng)域國際公認(rèn)的核心技術(shù)之一。與電子相比，光子具有光速傳播、天然的并行和復(fù)用能力、低功耗等特征，特別適合人工智能所需的大數(shù)據(jù)并行計(jì)算等場景。借助神經(jīng)形態(tài)光子學(xué)，光子計(jì)算機(jī)的理論計(jì)算速度可達(dá)到電子計(jì)算機(jī)的1000倍以上。
盡管光子技術(shù)具有諸多優(yōu)勢，但不得不面對一個(gè)事實(shí)，20世紀(jì)中期以來，光子技術(shù)在數(shù)字化方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于電子技術(shù)：與尺寸不斷縮小的電子器件相比，相機(jī)、投影儀等光學(xué)系統(tǒng)的體積雖然有所小型化，但其縮小程度仍十分有限；在集成光子學(xué)中，由于“衍射極限”的限制，光子波導(dǎo)的寬度約為微米量級，比集成電路的特征尺寸大了10~100倍。顯然，如何實(shí)現(xiàn)類似于數(shù)字電子的小型化、集成化、高性能數(shù)字光學(xué)技術(shù)，是光學(xué)和光子學(xué)領(lǐng)域關(guān)注的重點(diǎn)。
從本質(zhì)上講，電子和光子的方程和波函數(shù)有諸多相似之處，都可以在數(shù)字和模擬之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。因此，從早期的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)開始，到二元光學(xué)，再到現(xiàn)在的亞波長光學(xué)，光子的數(shù)字化也在不斷演進(jìn)。在經(jīng)典的楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)中，光子透過兩個(gè)狹縫后在屏上呈現(xiàn)數(shù)字化的干涉效果，強(qiáng)度分布0和1交替出現(xiàn)，產(chǎn)生了數(shù)字化的雛形。1818年，法國科學(xué)家Augustin-Jean Fresnel首次提出了波帶片的概念。約60年后，Rayleigh制作了世界上第一塊波帶片。1967年，美國光學(xué)家Joseph Goodman提出數(shù)字全息技術(shù)，用光電傳感器代替干板記錄全息圖，從而實(shí)現(xiàn)光學(xué)全息的數(shù)字化再現(xiàn)。
20世紀(jì)80年代中期，麻省理工學(xué)院林肯實(shí)驗(yàn)室提出了二元光學(xué)的概念，開創(chuàng)了將集成電路工藝引入光學(xué)元件制造的先河。21世紀(jì)以來，數(shù)字光學(xué)的調(diào)控尺度深入到亞波長尺度，催生了以表面等離子體亞波長光學(xué)、超構(gòu)透鏡、懸鏈線光學(xué)等為代表的新方向。正如2009年Joseph Goodman所說，隨著激光光源、電子計(jì)算機(jī)以及微細(xì)加工工具的發(fā)展，數(shù)字光學(xué)這一領(lǐng)域終于開始蓬勃發(fā)展。
數(shù)字光學(xué)成為研究新熱點(diǎn)
數(shù)字光學(xué)的內(nèi)涵主要有三點(diǎn)。一是通過光子—電子融合，實(shí)現(xiàn)數(shù)字電子向數(shù)字光學(xué)的轉(zhuǎn)變，同時(shí)利用離散化結(jié)構(gòu)中的幾何相位和界面相位等新的物理效應(yīng)調(diào)控振幅、相位、偏振、頻率、空間頻率等參量；二是智能化設(shè)計(jì)，傳統(tǒng)光學(xué)元件和系統(tǒng)的設(shè)計(jì)更多地依賴于經(jīng)驗(yàn)，通過數(shù)字計(jì)算機(jī)和人工智能，可實(shí)現(xiàn)數(shù)字光學(xué)器件的按需智能設(shè)計(jì)；三是微電子兼容的加工，傳統(tǒng)的光學(xué)加工依賴于注塑、磨削、拋光等工藝，難以和電子技術(shù)一體化，數(shù)字光學(xué)元件采用微電子工藝來批量復(fù)制，有望在同一產(chǎn)線實(shí)現(xiàn)光學(xué)和電子器件的集成。
廣義的數(shù)字光學(xué)包括建立在數(shù)字化設(shè)計(jì)、數(shù)字化加工、數(shù)字化控制基礎(chǔ)上的光學(xué)理論和技術(shù)等。主要的數(shù)字化特征包括：形貌方面，由規(guī)則向自由化發(fā)展，微結(jié)構(gòu)由簡單規(guī)則的圖形變成了復(fù)雜化圖形；分析方法方面，隨著特征尺寸的縮小以及數(shù)值孔徑的增大，傳統(tǒng)的標(biāo)量分析方法已無法滿足需求，處理方法進(jìn)入矢量光學(xué)范疇；設(shè)計(jì)方面，傳統(tǒng)啟發(fā)式的優(yōu)化設(shè)計(jì)難以用于超大規(guī)模亞波長結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，此時(shí)，基于物理驅(qū)動(dòng)和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的智能設(shè)計(jì)就成為了必然選擇；調(diào)控維度方面，數(shù)字光學(xué)由單一的相位調(diào)控向振幅、相位和頻譜同時(shí)調(diào)控發(fā)展，使更多維度的應(yīng)用成為可能；時(shí)域調(diào)控方面，新材料和新技術(shù)的引入使得動(dòng)態(tài)調(diào)控速度有望得到大幅提升。
數(shù)字光學(xué)產(chǎn)業(yè)前景廣闊
數(shù)字光學(xué)有著廣闊的產(chǎn)業(yè)前景，包括數(shù)字光加工、數(shù)字光成像、數(shù)字光顯示、數(shù)字光傳感、數(shù)字光通信、數(shù)字光存儲(chǔ)、數(shù)字光計(jì)算等等。當(dāng)前數(shù)字光學(xué)的發(fā)展仍然處于初級階段，有一些問題需要解決，比如智能設(shè)計(jì)方法和軟件、軟硬件協(xié)同優(yōu)化、跨尺度高精度批量制造、可編程智能重構(gòu)、標(biāo)準(zhǔn)化的建立等。軟硬件協(xié)同優(yōu)化是數(shù)字光學(xué)未來發(fā)展的重點(diǎn)方向之一。以光學(xué)成像系統(tǒng)為例，超構(gòu)透鏡本身具有靈活的相位調(diào)控能力，但隨著口徑增大，色差越來越難以消除。此時(shí)，采用后端算法來校正色差可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字化結(jié)構(gòu)與數(shù)字化處理的完美融合，從而在不增加系統(tǒng)體積重量的條件下大幅度提升成像性能。
標(biāo)準(zhǔn)化是實(shí)現(xiàn)數(shù)字光學(xué)產(chǎn)業(yè)前景的必然舉措，具體包括標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計(jì)、制造、測量以及集成等。只有建立起數(shù)字光學(xué)領(lǐng)域的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，才有可能像電子技術(shù)一樣，快速推進(jìn)數(shù)字光學(xué)產(chǎn)業(yè)賽道的形成。■
（作者系中國工程院院士、中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所所長，記者高雅麗根據(jù)其在世界數(shù)字經(jīng)濟(jì)論壇的發(fā)言整理）