一體化仿生光學復眼的制作及其光學性質研究.pdf

1、自然界中昆蟲的復眼，例如蒼蠅的眼睛，是天然存在的多孔徑曲面光學探測系統(tǒng)，也是天然存在的實時圖像分析和處理系統(tǒng)，具有視場大、重量輕、體積小、對運動物體敏感等特點，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，因此對昆蟲復眼的結構、功能等進行仿生也引起了眾多科學家、軍事學家、醫(yī)學家的興趣。因目前仿生復眼多采用微透鏡陣列、曲面小孔陣列等獨立元件進行高精度耦合得到，為了能進一步減小復眼光電系統(tǒng)的體積，降低耦合難度，本文提出

2、了微透鏡、晶錐和波導一體化的仿生光學復眼的物理模型，并圍繞其光學性質、制作工藝及應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復眼的物理模型，建立了微透鏡、晶錐和波導一體化的仿生光學小眼的物理結構，提出使用光線矩陣方法對一體化仿生復眼的光學性質進行分析，經(jīng)過詳細的推導，得到其光線矩陣及主要基點參數(shù)。一體化仿生光學小眼的光線矩陣、基點等與圓柱形波導的長度有緊密聯(lián)系。不同的圓柱形波導長度導致了實像方焦點和虛像方焦點。使用

3、光線追跡的方法對一體化仿生小眼和光學復眼進行了追跡模擬。
　　然后本文采用時域有限差分方法對非線性光學聚合物中的自聚焦效應進行了模擬，證實了在非線性光學聚合物中利用自聚焦效應自寫入晶錐、波導一體化仿生小眼結構的可能性?；跀?shù)字掩模光刻系統(tǒng)的特點，提出使用FDTD方法對具有衍射面型的非線性聚合物光學薄膜的自聚焦效應進行了模擬與分析，因此本文對表面為平面，不帶任何微結構、表面帶有微透鏡微結構、表面帶有按底面半徑均勻量化衍射面型微結構以

4、及表面帶有按矢高均勻量化衍射面型微結構共四種面型的薄膜進行了模擬。模擬結果表明：由折射率升高引起的自聚焦效應可以用來在非線性光學聚合物薄膜內寫入波導結構；表面帶有微透鏡微結構和表面按矢高高階均勻量化衍射面型微結構的非線性光學聚合物薄膜在與敏感波長相互作用時，自寫入波導結構的效果與一體化仿生光學小眼的物理模型最為接近。
　　本文詳細給出了制作一體化仿生光學復眼的工藝流程，其中的光刻工藝分別采用了傳統(tǒng)鉻掩模版和數(shù)字掩模技術進行。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復眼，這種方法增加了曲面復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復眼的難度。對制作出的仿生復眼的三維形貌和光學性質做了測試與分析。使用傅里葉光學方法得到一體化仿生光學小眼的點擴展函數(shù)的數(shù)學表達式，且實驗測試與模擬兩者的結果相符。
　　本文最后討論了一體化仿生光學復眼在與其他光電器件集成中的應用。對一體化仿生光學復眼在與圖像傳感器集成方面進行了分析，另外對一體化仿