曾经先锋的光学存储，为何会退出历史舞台？
编者按：
邵屹峰 | 特约作者
在代尔夫特理工大学时， Abraham van Heel教授在第一年和第二年教授的两门光学课程中展示了令人惊艳的课堂实验，给我留下了深刻的印象。不幸的是他在1966年5月因为心脏病在自家花园中平静地去世了。不久后，我加入了由他的两名助手临时领导的研究组。1967年1月，来自埃因霍温飞利浦公司的Hendrik de Lang教授接任领导了代尔夫特理工大学的光学研究组。次年，法国发生了著名的“红五月”学生抗议活动，不仅动摇了当时由年长的戴高乐所领导的政府，其抗议精神还对包括荷兰在内的诸多国家产生了影响。因为不支持学生们民主化荷兰大学导致的管理混乱，Hendrik de Lang教授于1969年9月1日离开了代尔夫特理工大学。这导致我失去了硕士论文的导师，但是我仍然幸运地在当年完成了我的研究任务。随后我获得了法国外交部奖学金，得以前往巴黎（奥塞）的高等光学研究所攻读博士学位。
图 荷兰代尔夫特理工大学，被誉为“欧洲的麻省理工”
助力Alain Aspect做出诺奖工作
1973-1974年，Joseph Goodman在高等光学研究所担任访问学者。在此期间我有幸多次与他成为室友，并见证了他第二本著作《统计光学》一书的准备过程。当我在高等光学研究所期间，Alain Aspect也在Lowenthal组研究全息光谱仪。当我后来在飞利浦公司工作时，Alain问我飞利浦的研发部是否可以帮助制造一个足够大的偏振中性分光器（polarization-neutral beam splitter）。经过一些非凡的努力，飞利浦公司的薄膜沉积部门成功地制造了满足严苛条件的光学元件并将其与送到巴黎的高等光学研究所。这个“立方体”元件填补了光学量子纠缠实验中的一个潜在漏洞。这个实验最终帮助Alain赢得了2022年的诺贝尔物理学奖。
图 2022诺贝尔物理学奖获得者之一：Alain Aspect教授
光学存储：从发明、加速到被市场抛弃
图 由左至右依次为Gijs Bouwhuis, Piet Kramer 和 Klaas Compaan
当我加入飞利浦公司时，科学家Harold Hopkins正担任飞利浦的光学顾问，我被指定为他的联系人。Hopkins以他的部分相干成像理论而闻名，他扩展了Zernik与van Cittert在该领域的工作，也发明了许多其它重要的概念，比如光学传递函数、互相干系数、和高数值孔径成像。他还发明了变焦镜头和用于医疗诊断的光学内窥镜。但对我来说最重要的是，他还是一位出色的老师！我很幸运能够与他合作，共同研究光学设计与衍射理论。
我早期的关键课题是研究如何精准对焦与跟踪光盘上的光学信息螺旋，以及如何增加地增加信息密度。我与Hopkins一起研究了光盘的标量读取模型。后来我扩展了这一模型以兼容编码与调制的数字信号，并用它制定CD（Compact Disc）和后续的数字光学存储标准。
在此期间我也担任了飞利浦研究实验室与光学供应商之间的联络桥梁。为此我编写了自己的光学设计工具，使用SVD（singular value decomposition）优化光学系统。该软件也让飞利浦可以独立完成非球面设计和光学公差分析。在20世纪80年代初期，我用自己的程序设计了光刻投影物镜，重点优化了光学系统的公差和可制造性。我必须要强调Geoff Adams开展了光学公差分析的基础工作， 1988年，他在帝国理工完成了关于这一课题的博士论文。
当时飞利浦还在使用IBM 360/370大型计算机，只能够使用打孔卡输入数据。这成为了制约计算能力的瓶颈。有一次我的40，000张打孔卡（每张重2.5克，共1000千克）不幸发生了事故。其中两箱大约5000张卡片掉在地上打乱了关键顺序。我花了整整两天的时间才将所有卡片恢复为正确的顺序。幸运的是，随着计算机水平的提升，不久之后我就可以在飞利浦的实验室使用个人终端数据输入。大约在1985年， 我终于可以愉快地丢掉所有100公斤打孔卡了！
CD技术开始于1975年，最初是受到了视频光盘（VLP：video long play disc）的启发。VLP于1978年在美国被商业化但是很快就失败了。只有先锋公司在该市场中幸存下来并且继续生产了激光光盘（Laser Disc）直到1994年DVD的出现才停止。1982年秋季，飞利浦与索尼几乎同时开始销售全新的CD产品（包括光盘与播放器）。索尼公司主要采取“高质量、高价格”的策略而飞利浦则试图以“低价格，高销量”的策略占领大众消费市场份额。
在飞利浦的内部发起了一场口号为3个25美金的运动：产品中光学、机械、电子设备各占25美金，这项运动加速了飞利浦引进塑料光学与机械元件的步伐。同一时期，飞利浦引进了一种以玻璃半球为核心的塑料非球面透镜以降低价格。虽然该光学元件表现可靠，但是过度使用塑料机械元件导致返修率上升，反而损害了飞利浦CD播放器的声誉。几年后，飞利浦仅取得了15%的市场份额，索尼却占据了40%。幸运的是，根据专利权分配条款，飞利浦可以从每张光盘获利60%，而索尼只有40%。
在DVD之后，飞利浦和索尼又共同研究了使用405 nm蓝色激光的光学存储新标准，这也是光学存储的最后一个标准。更进一步发展的使用准接触（“固体浸没”）光学记录的方法尽管已经在研究过程中，但是该标准从未被公开。接下来随着mp3的普及，人类进入了固态存储的时代，流媒体技术成为了向消费者传输数据的第二种新方式。2015年以后，新生产的笔记本或者台式电脑几乎不再包含光盘驱动器。CD技术至此，发展了40年以后，光学存储真正地玩完了（the game was over）！
恰巧我在2006年12月正式从飞利浦公司退休，公司停止了所有光学存储的研究和生产活动。我的研究兴趣也转向光刻和包括天文方向的光学成像领域。
最初光刻使用所谓的“接触光刻”。该技术唯一涉及的光学原理是菲涅尔衍射，它决定掩膜的细节随着掩膜与芯片表面的增加而逐渐变得模糊。“接触光刻”局限于1比1的放大倍率，在光学波长范围仅可以实现大约2 μm的极限分辨率和10 cm的芯片尺寸。为了提高分辨率，可以使用更短波长的光源，比如X射线。
下一步是使用同样1比1放大倍率的投影光刻技术。该技术可以重复利用“接触光刻”同样的掩膜。飞利浦首先制造了一台0.2数值孔径的光刻机，但是其中的光学系统难以避免变得过于复杂和庞大。解决办法是将“缩小”的投影镜头与步进原理相结合，增加分辨率与视场（通过步进与重复）。法国的天文成像和空间光学的专家：Cerco公司制造了飞利浦的第一个缩小投影镜头，它的总长度为60 cm。根据飞利浦的要求，该镜头使用高压汞灯为照明光源，并同时使用光源光谱中的 g线和h线消除曝光中光刻胶中产生的z方向驻波图案。尽管Cerco公司能够交付一些设计精良的原型，但是后来大批量生产却遇到了困难。另外，该公司设计的镜头在视场边缘的成像质量非常差。
20世纪70年代中期，飞利浦自己设计了新一代数值孔径为0.3、视场为10 × 10 mm2的投影镜头。理论上该设计相比之前的设计拥有更宽裕的公差。但是很不幸第一个原型却不甚理想。我用我自己的设计程序分析镜头设计的时候发现若干处的公差非常的严格，这使得光学制造面临严峻的挑战。最终因为质量问题，Cerco公司没有能够为飞利浦的第一台步进式光刻机制造足够数量的投影镜头。
基于各种因素的考量，飞利浦公司最终决定于1979年出售光刻项目，并邀请了包括Perkin-Elmer在内潜在买家访问飞利浦Science and Industry部门，进行深入的技术交流。Perkin-Elmer的光学与机械专家们不满意飞利浦系统的投影物镜（色散问题和视场成像质量）和机械结构（晶元台使用油液压传动系统）。
最终在1984年，飞利浦的光刻部门与ASM（一家由Arthur del Prado领导的荷兰超净间设备制造商）成立了一家合资公司，新公司名为ASM-Lithography（ASML）。
特邀采访人简介
星标《赛先生》公众号，
不要错过我们每日为您精心准备的高质量文章！
欢迎关注我们，投稿、授权等请联系
合作请添加微信SxsLive2022
微信扫码关注该文公众号作者