仿生虾蛄眼偏振成像机理研究

论文摘要

虾蛄眼具有强大的视觉系统,在具备多光谱探测能力的同时还可以探测偏振光,包括线偏振光以及圆偏振光。利用虾蛄眼的结构特性以及偏振光谱结合的光学特性进行仿生研究,虽然刚刚起步,但可以预见用于癌症的诊断与预测、汽车自动驾驶、水下探测以及偏振元件的设计制造等诸多领域,因此对虾蛄眼的仿生研究逐渐成为研究热点。本文从虾蛄眼形态学分析入手,对虾蛄眼进行分析。对中频带两行小眼的口虾蛄眼进行解剖并与齿指虾蛄的六行小眼的进行了对比分析。针对虾蛄偏振探测以及光谱探测生物结构进行研究,发现偏振探测以及光谱探测功能由感杆束中微绒毛阵列结构尺寸以及微绒毛膜上视蛋白所决定。分析了虾蛄眼感杆束结构中微绒毛结构的偏振探测机理,并发现该结构材料具有二向色性并且可以增强其二向色性吸收。通过分析该微绒毛阵列结构的相位特性得到其等效形式具有双折射相位延迟特性。根据微绒毛阵列结构具有偏振、滤波以及吸收特性,为仿生虾蛄眼偏振探测元件的设计提供依据。虾蛄眼不同偏振光谱特性具有不同的视蛋白以及微绒毛尺寸,根据这一特性和微绒毛结构,提出了一种将偏振光谱相结合的滤波元件。利用等效介质理论以及介质传输矩阵进行仿真分析,得到可以利用不同的孔阵列周期实现可见光内各个谱段的偏振陷波。针对矩孔结构存在通带透过率低等问题,进一步分析了光子晶体中的孔边界形状,对偏振陷波特性的影响,得到介质层厚度越小,通带透过率越高的结论。通过分析孔边界曲线的斜率变化对偏振陷波带宽的影响,发现曲线两端斜率差的正负以及大小影响偏振带宽。仿真斜入射时光子晶体结构的偏振陷波滤波特性,得到偏振陷波特性不会随着角度增加而增加,但陷波中心和带宽会随入射角的变化而偏移和变化。根据微绒毛阵列结构光谱偏振滤波以及光吸收与转换能力集成的特性,针对现有铝纳米线栅与探测器结构的集成结构消光比与偏振吸收率之间的矛盾,提出了一种铝和硅的双层纳米线栅结构。进一步利用硅纳米线栅实现偏振光谱吸收特性,仿生硅纳米线栅结构在周期为364nm,线栅厚度为53nm,线宽为114nm时获得在蓝光(436nm)偏振吸收方向吸收率大于80%,消光比大于15的蓝光偏振吸收结构。利用基于基底为闪耀光栅结构的硅纳米线栅,在周期为364nm,线宽为114nm,厚度为38nm,闪耀角为16°时,获得黄光(546nm)偏振吸收结构,其吸收率大于86%,消光比大于145;在线宽180nm,厚度53nm,闪耀角10°时,获得红光(700nm)处获得偏振吸收特性,其吸收率接近50%,消光比大于175。此外,可以利用透过线栅结构的光进行非偏振探测,增加了入射光的利用率。硅纳米线栅可以实现偏振探测的集成,其透射光具有偏振特性,受虾蛄眼第5行与第6行小眼近端感杆束正交微绒毛阵列的启发,分析了结构以及材料特性,建立了多层硅纳米线栅阵列结构,分析发现,单位正交层厚约薄,其偏振精度越高。获得单位硅纳米线栅周期为50nm,线宽为2nm,厚度为5nm,层间距为100nm,正交纳米线栅为600对时,可以获得两个偏振方向均大于96%的吸收,且两个方向的消光比均大于60。因此,该仿生双向结构可以实现双向偏振探测,对减少偏振成像空间分辨率的损失有着重要意义。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
•   1.1 研究背景
•   1.2 国内外研究现状
•     1.2.1 虾蛄眼光学特性研究
•     1.2.2 虾蛄眼仿生研究
•     1.2.3 微偏振阵列的发展
•   1.3 主要研究内容
• 第二章 虾蛄眼偏振光谱机理研究
•   2.1 虾蛄眼形态学剖析
•     2.1.1 虾蛄眼外形
•     2.1.2 虾蛄眼小眼的结构
•     2.1.3 感杆束结构
•     2.1.4 虾蛄感杆束结构解剖
•   2.2 虾蛄眼偏振光谱功能解析
•     2.2.1 虾蛄眼感杆束功能
•     2.2.2 微绒毛功能
•     2.2.3 虾蛄眼偏振强度探测
•     2.2.4 微绒毛阵列线偏振光吸收仿真分析
•     2.2.5 无脊椎光感受器结构与脊椎动物偏振特性比较
•     2.2.6 虾蛄眼圆偏振光探测功能
•   2.3 虾蛄躯体反射光偏振信号
•     2.3.1 齿指虾蛄反射光偏振信号
•     2.3.2 口虾蛄躯壳反射光偏振特性
•   2.4 本章小结
• 第三章 仿生偏振光谱滤波结构
•   3.1 仿生滤波结构
•     3.1.1 微绒毛阵列简化模型
•     3.1.2 微绒毛阵列简化模型等效介质理论分析
•     3.1.3 Rugate滤波理论
•   3.2 矩孔光子晶体滤波结构
•     3.2.1 构建矩孔光子晶体模型
•     3.2.2 矩孔光子晶体偏振光谱滤波的传输矩阵计算
•     3.2.3 矩孔光子晶体滤波结构的仿真
•     3.2.4 矩孔光子晶体偏振光谱滤波设计实例
•   3.3 不同孔形状的孔阵列光子晶体分析
•     3.3.1 孔模型建模
•     3.3.2 孔阵列光子晶体仿真分析
•     3.3.3 仿真孔阵列光子晶体孔形状分析与讨论
•   3.4 孔阵列光子晶体倾斜入射滤波特性
•     3.4.1 孔阵列光子晶体传输矩阵修正
•     3.4.2 孔阵列光子晶体斜入射模拟仿真
•     3.4.3 多孔型倾斜入射
•   3.5 本章小结
• 第四章 仿生偏振光谱吸收结构
•   4.1 双层纳米线栅偏振探测集成结构
•     4.1.1 双层纳米线栅结构模型
•     4.1.2 双层纳米线栅仿真模拟
•     4.1.3 仿真结构分析讨论
•     4.1.4 双层纳米线栅倾斜入射偏振吸收特性分析
•     4.1.5 双层仿生集成结构偏振特性分析
•   4.2 硅纳米线栅蓝光偏振吸收结构
•     4.2.1 硅纳米线栅结构模型
•     4.2.2 仿真与讨论
•     4.2.3 偏振吸收结构优化
•     4.2.4 倾斜入射对蓝光纳米线栅吸收结构影响
•     4.2.5 蓝光纳米线栅吸收结构小结
•   4.3 纳米硅闪耀光栅光谱偏振吸收结构
•     4.3.1 纳米线栅闪耀结构建模
•     4.3.2 纳米线栅闪耀结构仿真模拟
•     4.3.3 黄光与红光纳米线栅闪耀结构设计
•     4.3.4 闪耀纳米线栅结构小结
•   4.4 本章小结
• 第五章 仿生双向偏振吸收结构
•   5.1 正交微绒毛结构仿生
•     5.1.1 正交微绒毛阵列解析
•     5.1.2 仿生管状结构模型的建立
•     5.1.3 管阵列正交纳米仿生结构计算方法
•     5.1.4 管阵列正交纳米仿生结构仿真模拟与分析
•     5.1.5 层厚z与二向色性比例Rate的影响
•     5.1.6 仿生像元仿真模拟与分析
•     5.1.7 管阵列正交纳米讨论
•   5.2 纳米线栅形状分析
•     5.2.1 管结构分析
•   5.3 仿生虾蛄眼双向偏振吸收结构
•     5.3.1 仿生虾蛄眼双向偏振吸收模型
•     5.3.2 单层纳米线栅
•     5.3.3 单位正交纳米线栅
•     5.3.4 正交层数分析
•   5.4 本章小结
• 第六章 总结与展望
•   6.1 结论
•   6.2 创新点
•   6.3 工作展望
• 参考文献
• 附录A 攻读博士学位期间发表的论文和专利
• 致谢

文章来源

类型: 博士论文

作者: 朱启凡

导师: 付跃刚

关键词: 仿生虾蛄眼,偏振,光谱,吸收,纳米线栅

来源: 长春理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 物理学,生物学,生物学

单位: 长春理工大学

分类号: Q811;O436.3

总页数: 138

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