通过分析二元光学元件应用、设计和加工工艺状况,得到的基本结论是:二元光学元件的应用正在向与微电子、微机械系统集成化方向发展,而其设计理论和工艺方法还停留在单个元件的设计和加工层面。为适应二元光学元件集成化的发展需要,本文在二元光学元件系统设计方法、组件级设计算法理论,工艺加工方法、加工设备等方面展开研究。研究结果,为二元光学组件设计与实现打下了基础,也为二元光学元件与微电子、微机械系统集成提出了一个研究方向。本文的主要工作是:借鉴微电子技术设计思想,首次提出二元光学元件层次化系统设计的方案,包括:系统级设计、组件级设计、元件设计和元件工艺模型的建立,以适应二元光学元件集成化应用的需要。首次提出了二元光学组件横向设计技术的概念和方法。这是一种组件级集成设计方法,其特点是:以元件实际应用时的状态和位置为基础,以多个二元光学元件(即组件)为对象进行的设计。这样能避免通常以单个二元光学元件为对象设计,在集成应用时,由组装带来的对位等调试误差。基于光的标量衍射理论和夫琅禾费近似的约束,推导出一种二元光学组件设计算法,并结合横向设计技术,成功地设计出减法器组件,验证了本文提出的二元光学组件横向设计技术和组件设计算法。借鉴光固化快速成型工艺,首次提出了一种二元光学元件加工工艺-----横向加法光固化成型工艺。对工艺误差进行了分析和仿真,结果表明该工艺对工艺对准误差不敏感。这一工艺不仅能支持横向设计技术设计的组件加工,而且与微电子、微机械加工工艺同属加法工艺,具有良好的兼容性。采用虚拟数字掩模技术,研制出了二元光学元件加工设备。与常用的光固化成型设备比较,本设备不仅可控性能好,而且研发成本低。分析了设备系统误差,以便在设计时考虑修正,提高元件加工精度。在该设备上制作出的光栅与传统工艺在感光胶上制作的光栅进行比较,结果表明,本文提出的加工工艺方法可行,设备能满足实验要求。在系统设计中明确提出了二元光学元件工艺模型的建立概念。以菲涅尔透镜工艺模型建立为例,说明了工艺模型的建立方法。工艺模型的概念为二元光学元件设计与制作实现行业分工,提供了行业间接口的基础,有利于二元光学领域的发展。