仿生视觉光电传感器的研究

仿生视觉光电传感器的研究

自然界生物定位算法对新系统的研究具有重要的启发意义。根据药理学研究，在撒哈拉沙漠中，有一种称为cataglyphis的蚂蚁能够导航和定位令人难以置信的东西。其导航定位机制是沙蚕视网膜神经感杆的结构，具有对天空中偏移光的敏感性。根据药理学研究，本研究组提出了一种基于模拟视觉电传感器的模型。在设计视觉电传感器的各种设备中，偏转装置是重要的设备。然而，使用天然晶的双折射效应的弯曲装置和二色板膜的位移装置不能满足模拟视觉电传感器的需要。使用天然晶的双折射效应的计数器体积过大，成本高。2级膜偏压片的偏移性能不是最佳的。同时，两种偏转装置的最大缺点是，sd技术的兼容性很差，难以与后续生产区集成光膜。亚波长金属偏振光栅(光栅周期小于入射光波波长)体积小、结构紧凑、易于集成、偏振特性好,在光通讯、液晶显示等领域具有广泛的应用前景,因而引起了越来越多研究者的兴趣.随着电子束曝光、纳米压印技术、反应离子刻蚀等微加工工艺的发展,研究者们已经制作出了各种用于可见光波段的金属偏振光栅.但是,他们设计制作的金属偏振光栅主要适用于较长的光谱范围,能够用于蓝紫光光谱范围的金属偏振光栅的周期都很小(周期小于150nm);如此小周期金属偏振光栅的加工制作比较困难,而且费用也比较高.本课题组设计的仿生视觉光电传感器主要适用于特定的可见光波段(蓝紫光波段,380～520nm,中心波长为450nm),针对这个特定波段,笔者设计出一种具有较大周期的透射式金属光栅偏振器,在整个可见光波段,所设计的金属光栅偏振器的性能很好,其TM偏振光透射效率和消光比分别大于61.5%和370.1均匀介质组成笔者设计的一维矩形金属光栅偏振器的结构如图1所示,由金属层、中间层和透明石英玻璃基底3种均匀介质构成.光栅周期为P;金属线宽度为W;占空比为f(f=W/P),光栅深度为H.1.1光栅偏振器的等效动态仿真由于亚波长金属光栅偏振器的周期小于入射光波的波长,传统标量衍射理论的假设和近似不再成立,只能利用等效介质理论或矢量衍射理论进行分析.目前已经广泛应用的矢量衍射理论主要有严格耦合波理论、模式法、积分法、微分法等数值计算方法.其中严格耦合波理论涉及的数学理论更为简单,得到了广泛应用.但是,严格耦合波理论的数值特点使其不能直观地反映金属光栅偏振器的工作原理.笔者采用等效介质理论定性分析金属光栅偏振器的工作原理,然后利用严格耦合波理论设计金属光栅偏振器.根据麦柯斯韦方程的边界条件,可以得到不同偏振状态的光(TM和TE偏振光)在光栅界面上的等效折射率nTE=[fn2222+(1-f)n2112]1/2(1)nTM=[fn−222-2+(1-f)n−211-2]-1/2(2)式中:n1为空气的折射率;n2为光栅介质的折射率;f为光栅的占空比.一般金属材料的折射率为n2=n+ik.把金属折射率代入式(1)和式(2),可以计算出光栅金属层的等效折射率.图2是TM和TE偏振光入射时,光栅金属铝层的等效折射率随入射光波长变化的关系.通过分析图2,可以得出结论:对于TE偏振光,光栅金属层等效折射率的实部和虚部都比较大,光栅金属层等效于金属膜,因此大部分TE偏振光被反射和吸收;对于TM偏振光,光栅金属层的等效折射率的实部很大,而其虚部很小(趋于零),光栅金属层等效于具有微弱吸收性质的电介质层,因此大部分TM偏振光被透射,只有很小部分被吸收和反射.因此,分析光栅金属层的等效折射率能够更直观地理解金属光栅偏振器的工作原理.1.2金属光栅偏振器结构参数设计及仿真结果金属光栅偏振器的主要结构参数是光栅周期、光栅占空比和光栅深度.其中决定光栅性能(TM透射效率和消光比)的关键参数是光栅周期与入射光波长的关系.当光栅周期大于入射光波长时,光栅具有多级衍射波,因此,光栅只能被用作衍射光栅,而不能作为偏振器使用;当光栅周期远小于入射光波长时,光栅只有零级衍射波、具有很强的偏振性、透射偏振方向与光栅栅线垂直的TM偏振光,而反射偏振方向与光栅栅线平行的TE偏振光,可以作为性能良好的偏振器使用.光栅只存在零级衍射波而不存在高级衍射波的条件为P=λn1sinθcosΨ+(n23−n21sin2θsin2Ψ)1/2(3)Ρ=λn1sinθcosΨ+(n32-n12sin2θsin2Ψ)1/2(3)式中:P为光栅周期;n1和n3分别为空气和光栅基底的折射率;λ为入射光波长;θ为入射光的入射角;Ψ为入射光的方位角.当入射光波波长为380nm且垂直入射时,根据式(3)计算,得到光栅的最大周期为P=380/1.5=253.3nm文献中讨论了金属光栅偏振器性能(TM偏振光投射效率和消光比)与光栅周期和光栅占空比的关系,同时,考虑到后续加工工艺,选择所设计的光栅周期和占空比分别为200nm和0.5.对于本文后面的仿真计算,光栅的周期和占空比都选择200nm和0.5.通过对图3～图5的分析,可以得到所设计的金属光栅偏振器的最优结构参数如下:光栅周期为200nm;光栅占空比为0.5;金属铝层的厚度为160nm;未刻蚀的氟化镁薄膜的厚度为50nm;刻蚀的氟化镁薄膜的厚度为15nm.如图6所示,本文设计的金属偏振光栅在整个可见光波段具有良好的偏振性能,在垂直入射条件下,光栅的TM透射效率大于61.5%,消光比大于370.在蓝紫光波段,与未刻蚀氟化镁的光栅和传统光栅相比,本文设计的光栅的TM透射效率和消光比都增大.在入射光波长为450nm且垂直入射的条件下,其TM透射效率为86.7296%,分别是未刻蚀氟化镁的光栅和传统光栅的1.035倍和1.103倍;其消光比为1255.322,分别是未刻蚀氟化镁的光栅和传统光栅的1.171倍和1.42倍.同时,本文设计光栅的氟化镁薄膜厚度(65nm)是未刻蚀氟化镁光栅的氟化镁薄膜厚度(220nm)的29.55%,这样不仅减小了镀膜的难度,而且增加了镀膜的牢固度,从而增大了光栅的使用寿命.通过分析图6可以发现,光栅层中增加的氟化镁薄膜主要改善了短波长入射时光栅的性能.在短波长光入射时,光栅的TM透射效率得到明显改善,但在长波长光入射时,光栅的TM透射效率略微减小;但是,在整个可见光光谱范围内,光栅的消光比却有明显的改善.2金属光栅偏振器的应用本文基于严格耦合波理论设计了一种新型的透射式金属光栅偏振器,并应用等效介质理论直观地分析了其工作原理,这种金属光栅偏振器在整个可见光波段具有良好的偏振性能.在垂直入射条件下,本文设计的金属光栅的TM透射效率大于61.5%,消光比大于370.与相同结构参数的其他金属光栅相比,本文设计的光栅在较宽的带宽内具有更高的TM偏振光透射效率和消光比.在蓝紫光光谱范围