一體化仿生光學(xué)復(fù)眼的制作及其光學(xué)性質(zhì)研究.pdf

1、自然界中昆蟲的復(fù)眼，例如蒼蠅的眼睛，是天然存在的多孔徑曲面光學(xué)探測系統(tǒng)，也是天然存在的實(shí)時(shí)圖像分析和處理系統(tǒng)，具有視場大、重量輕、體積小、對運(yùn)動(dòng)物體敏感等特點(diǎn)，是研究者們制作微光電傳感器、微光電探測器、微光電成像系統(tǒng)的極佳模型，因此對昆蟲復(fù)眼的結(jié)構(gòu)、功能等進(jìn)行仿生也引起了眾多科學(xué)家、軍事學(xué)家、醫(yī)學(xué)家的興趣。因目前仿生復(fù)眼多采用微透鏡陣列、曲面小孔陣列等獨(dú)立元件進(jìn)行高精度耦合得到，為了能進(jìn)一步減小復(fù)眼光電系統(tǒng)的體積，降低耦合難度，本文提出

2、了微透鏡、晶錐和波導(dǎo)一體化的仿生光學(xué)復(fù)眼的物理模型，并圍繞其光學(xué)性質(zhì)、制作工藝及應(yīng)用展開了一定的研究工作。
　　首先本文提出了一體化仿生光學(xué)復(fù)眼的物理模型，建立了微透鏡、晶錐和波導(dǎo)一體化的仿生光學(xué)小眼的物理結(jié)構(gòu)，提出使用光線矩陣方法對一體化仿生復(fù)眼的光學(xué)性質(zhì)進(jìn)行分析，經(jīng)過詳細(xì)的推導(dǎo)，得到其光線矩陣及主要基點(diǎn)參數(shù)。一體化仿生光學(xué)小眼的光線矩陣、基點(diǎn)等與圓柱形波導(dǎo)的長度有緊密聯(lián)系。不同的圓柱形波導(dǎo)長度導(dǎo)致了實(shí)像方焦點(diǎn)和虛像方焦點(diǎn)。使用

3、光線追跡的方法對一體化仿生小眼和光學(xué)復(fù)眼進(jìn)行了追跡模擬。
　　然后本文采用時(shí)域有限差分方法對非線性光學(xué)聚合物中的自聚焦效應(yīng)進(jìn)行了模擬，證實(shí)了在非線性光學(xué)聚合物中利用自聚焦效應(yīng)自寫入晶錐、波導(dǎo)一體化仿生小眼結(jié)構(gòu)的可能性?；跀?shù)字掩模光刻系統(tǒng)的特點(diǎn)，提出使用FDTD方法對具有衍射面型的非線性聚合物光學(xué)薄膜的自聚焦效應(yīng)進(jìn)行了模擬與分析，因此本文對表面為平面，不帶任何微結(jié)構(gòu)、表面帶有微透鏡微結(jié)構(gòu)、表面帶有按底面半徑均勻量化衍射面型微結(jié)構(gòu)以

4、及表面帶有按矢高均勻量化衍射面型微結(jié)構(gòu)共四種面型的薄膜進(jìn)行了模擬。模擬結(jié)果表明：由折射率升高引起的自聚焦效應(yīng)可以用來在非線性光學(xué)聚合物薄膜內(nèi)寫入波導(dǎo)結(jié)構(gòu)；表面帶有微透鏡微結(jié)構(gòu)和表面按矢高高階均勻量化衍射面型微結(jié)構(gòu)的非線性光學(xué)聚合物薄膜在與敏感波長相互作用時(shí)，自寫入波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的效果與一體化仿生光學(xué)小眼的物理模型最為接近。
　　本文詳細(xì)給出了制作一體化仿生光學(xué)復(fù)眼的工藝流程，其中的光刻工藝分別采用了傳統(tǒng)鉻掩模版和數(shù)字掩模技術(shù)進(jìn)行。提出采

5、用具有一定曲率半徑的基底作為支撐，制作曲面一體化仿生光學(xué)復(fù)眼，這種方法增加了曲面復(fù)眼所在曲面的曲率半徑的確定性，降低了制作曲面仿生光學(xué)復(fù)眼的難度。對制作出的仿生復(fù)眼的三維形貌和光學(xué)性質(zhì)做了測試與分析。使用傅里葉光學(xué)方法得到一體化仿生光學(xué)小眼的點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)的數(shù)學(xué)表達(dá)式，且實(shí)驗(yàn)測試與模擬兩者的結(jié)果相符。
　　本文最后討論了一體化仿生光學(xué)復(fù)眼在與其他光電器件集成中的應(yīng)用。對一體化仿生光學(xué)復(fù)眼在與圖像傳感器集成方面進(jìn)行了分析，另外對一體化仿