表面微整形龍蝦眼結構的製作方法

2023-10-06 14:51:04

本發明涉及龍蝦眼光學系統領域，具體涉及一種表面微整形龍蝦眼結構。

背景技術：

龍蝦眼光學系統是仿製於龍蝦眼結構。龍蝦眼表面存在一層呈球形排布錐形微通道，微通道呈球形排布，所以龍蝦眼結構沒有統一的中心軸，每個微通道的軸心都指向球心處，因此龍蝦眼具備了大視場的能力。

但是有兩個原因使得龍蝦眼在焦面上會產生彌散斑，第一是龍蝦眼的理想聚焦面是一個半徑為r/2的球面，由於現在可供使用ccd只能是平面的，所以在成像平面處，會產生一個焦斑。第二個原因是由於龍蝦眼結構的微通道具有一定的深度，於是在焦面上會產生一個投影寬度。因為彌散斑的產生，使得焦點處集光效率下降。

技術實現要素：

為了解決現有技術中存在的問題，本發明提供了一種表面微整形龍蝦眼結構，該結構具有聚光的作用，並且可以利用其高衍射效率提高焦點處的集光效率。

本發明解決技術問題所採用的技術方案如下：

表面微整形龍蝦眼結構，該結構包括：龍蝦眼結構和設置在龍蝦眼結構表面上的變周期閃耀光柵結構。所述龍蝦眼結構為表面存在一層呈球形排布錐形微通道，每個通道的截面呈梯形，每個反射面是梯形並覆蓋著高反射率材料，呈倒錐形；當光線經過微通道時，經過相互垂直的面的反射，折轉至焦點處；所述變周期閃耀光柵結構為在龍蝦眼結構表面片上鍍一層鋁膜，然後在這層鋁膜上刻劃出平行溝槽，每個溝槽都是反射面元，縫寬為w，縫面與光柵面的夾角為φ，稱為閃耀角，θ1和θ1′分別為入射光線與光柵法線和單縫法線的夾角，θ2和θ2′分別為衍射光線與光柵法線和單縫法線的夾角，θ1＝θ1′+φ,θ2＝θ2′+φ；變周期閃耀光柵的光柵方程為：

其中m表示衍射級次，d表示光柵周期，利用該光柵進行聚焦，先選定將某個級次的衍射光線會聚與焦點處，計算每個狹縫的周期；再利用θ1與θ2之間的關係計算出光柵的閃耀角，從而確定光柵結構；

依據建立的模型來看，根據標量衍射原理，單個閃耀面的衍射屬於夫琅禾費衍射，則得到單個狹縫的衍射場為

則總衍射場疊加為

上式表達的是將n條狹縫的衍射光場相疊加而得到的總的衍射光場表達式，因為平行光入射的原因，所以入射光的復振幅可以看作是一個常量。β＝sinθ1+sinθ2，ξ代表了所積分的長度。

本發明的有益效果是：本發明在龍蝦眼表面加入變周期閃耀光柵結構之後，彌散斑的尺寸得到了改善，集中度也大大的增強了。在最後所得到的衍射場在焦面處的場分布如下圖3所示，如圖表示出了接收面上的各處所對應的光強大小，橫軸表示的是接受面，縱軸表示的是光強。從圖3中可以看出，光能量大部分都集中在接收面的中間位置，而且中心光斑的尺寸大概為0.4mm，經過計算在中心能量集中處的能量佔比大約為89.62％。

附圖說明

圖1本發明變周期閃耀光柵結構示意圖。

圖2現有技術效果圖。

圖3本發明效果圖。

圖4本發明立體效果圖。

圖5本發明龍蝦眼結構參數。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發明做進一步詳細說明。

表面微整形龍蝦眼結構，該結構包括：龍蝦眼結構和設置在龍蝦眼結構表面上的變周期閃耀光柵結構。所述龍蝦眼結構為表面存在一層呈球形排布錐形微通道，每個通道的截面呈梯形，每個反射面是梯形並覆蓋著高反射率材料，呈倒錐形。高反射率材料包括金、鎳、銥、鋁等，其反射率隨著入射角度的變化而變化。其中當光線經過微通道時，經過相互垂直的面的反射，折轉至焦點處；如圖1所示，變周期閃耀光柵結構為在龍蝦眼結構表面片上鍍一層鋁膜，然後在這層鋁膜上刻劃出平行溝槽，每個溝槽都是反射面元，縫寬為w，縫面與光柵面的夾角為稱為閃耀角，θ1和θ1′分別為入射光線與光柵法線和單縫法線的夾角,θ2和θ2′分別為衍射光線與光柵法線和單縫法線的夾角，所以

變周期閃耀光柵的主要作用是通過表面變化的周期及閃耀角將所需要的某一級次主極大調製到所需要的角度。變周期閃耀光柵的光柵方程為：

其中m表示衍射級次，d表示光柵周期，利用該光柵進行聚焦，先選定將某個級次的衍射光線會聚與焦點處，計算每個狹縫的周期；再利用θ1與θ2之間的關係計算出光柵的閃耀角，從而確定光柵結構；

因為利用的是光柵結構，所以必須從光的衍射去分析在聚焦處的光場情況。依據建立的模型來看，根據標量衍射原理，單個閃耀面的衍射屬於夫琅禾費衍射，則得到單個狹縫的衍射場為

則總衍射場疊加為

上式表達的是將n條狹縫的衍射光場相疊加而得到的總的衍射光場表達式，因為平行光入射的原因，所以入射光的復振幅可以看作是一個常量。β＝sinθ1+sinθ2，ξ代表了所積分的長度。

圖2是通過tracepro軟體仿真出的在表面沒有微結構的龍蝦眼光學系統焦平面處光能分布，縱軸表示光強(單位：lm)，橫軸表示位置(單位：mm)。圖3和圖4表示出的是表面經過微整形通過自編程計算衍射效應之後的龍蝦眼光學系統焦平面處光能分布，縱軸表示光強(單位：lm)，橫軸表示位置(單位：mm)。圖3展示出了焦平面上焦點附近0.4mm內光強分布。

以上對龍蝦眼的整體結構進行了仿真，表面有微結構與無微結構時得到的場分布情況。通過以上對比可以得到在表面沒有微結構時，雖然中央依然是光能最高最強的地方，但是在底部依然存在大量的分散能量，在其光能集中處的彌散斑直徑大約為10mm，能量佔比約為75％。相比於表面無微結構之後的情況，在加入微結構之後，其光能集中處的彌散斑直徑大約為0.2mm，通過計算得到大約89.62％的光能集中在焦點處，通過以上仿真與模擬我們證實了在表面加入微結構之後光能集中度確實得到了顯著的提高。

在本實施例中，如圖5所示，入射光的波長為λ＝632.8nm，龍蝦眼微通道深度為t＝20mm，曲率半徑為r＝200mm，錐頂角為α＝0.1°，焦距為f＝100mm；光柵具體尺寸依據不同的入射角度，其柵距與閃耀角是不同的，例如當入射角為60°，以遠離球心位置為起始位置，其柵距變化範圍為9μm～12.6μm，閃耀角從4°43.8'變化至3°12'。