基于光柵的結(jié)構(gòu)色呈色機理及光譜特性研究.pdf

1、分類號：TKl24密級：不保密學校代碼：10057研究生學號：12822919基于光柵的結(jié)構(gòu)色呈色機理及光譜特性研究ResearchonColorGenerationMechanismandSpectralPropeltiesBasedonGratingStructuralColor工程領(lǐng)域名稱研究方向指導教師姓名研究生姓名申請學位類別論文提交日期論文課題來源學位授予單位：輕工技術(shù)與工程：印刷復制技術(shù)及質(zhì)量控制：陳永利副教授：高敬敬：工

2、程碩士：2015年3月：國家項目：天津科技大學摘要顏色是人類最重要的感覺之一，對顏色與光的探究一直長久以來的研究課題。顏色可以分為色素色和結(jié)構(gòu)色兩類。前者是依靠顏料對光的選擇性吸收形成，后者依賴自身特殊的組成結(jié)構(gòu)對光線的特殊作用，它所形成的色彩有普通顏料不具備的眾多優(yōu)點：高亮度、高飽和度、不退色、特殊效果等等，成為顏色科學界的關(guān)注焦點。本論文以電磁學FDTD(時域有限差分法)為理論基礎(chǔ)，基于周期性光柵微結(jié)構(gòu)的呈色機理，用FDTDsolu

3、tions設(shè)計出具有顏色特性的”非對稱光柵結(jié)構(gòu)”，研究了不同光柵參數(shù)包括脊柱、梯柱、周期、材料和入射條件等對其顏色光譜特性曲線峰值的影響及變化規(guī)律。在MatlabR2009a中采用FDTD的計算原理，改變各個參數(shù)進行FDTD的反射率分析，得到對應(yīng)的特征光譜曲線比較圖。分析光譜曲線的變化特征，優(yōu)化光柵結(jié)構(gòu)模型，得到了”最優(yōu)結(jié)構(gòu)模型”，并研究了非結(jié)構(gòu)參數(shù)包括周期、背景折射率、介質(zhì)折射率、光源入射角度等對“最優(yōu)結(jié)構(gòu)”呈色的影響規(guī)律。獲得了具有

4、最大峰值特征的結(jié)構(gòu)模型，研究了該模型的反射率、電磁強度等光學特征。研究結(jié)果表明，特殊的光柵微結(jié)構(gòu)可以產(chǎn)生特定的結(jié)構(gòu)色?！狈菍ΨQ結(jié)構(gòu)”的不同參數(shù)對光譜特性曲線峰值的影響不一樣。隨著周期的逐漸增大，并非波峰值成正比增大，周期超過900m后波峰值開始降低，顏色為混合色：隨著周期的增大，波峰值的位置向長波長內(nèi)偏移，顏色的色相發(fā)生了改變。背景折射率越大，光譜反射率越低，光譜峰越向長波方向偏移；當背景折射率超出特定范圍后，其結(jié)構(gòu)色現(xiàn)象將隨著光譜峰值

5、的降低而逐漸減弱。結(jié)構(gòu)介質(zhì)折射率變化所導致的反射光譜在峰值和峰位置兩方面的改變都是比較顯著的。隨著材料介質(zhì)折射率的變大，反射峰發(fā)生偏移同時峰的半寬變大。入射光斜入射時，反射峰相對正入射時的峰有紅移，但是峰的半寬減小。反射光譜隨著入射角的改變(0。一300)不同，峰的位置有明顯的改變，也就是說，當沿著軸向變角度觀察時，結(jié)構(gòu)的顏色是不同的。對于“最優(yōu)結(jié)構(gòu)”的光學特性研究表明：改變相應(yīng)的參數(shù)可以實現(xiàn)顏色的可控，即所謂的變色。”最優(yōu)結(jié)構(gòu)”的頂部

6、3層薄片對結(jié)構(gòu)的呈色做出了較大的貢獻，其將大部分光反射回去，只有少數(shù)光能透至第3層薄片?！弊顑?yōu)結(jié)構(gòu)”的光柵區(qū)和透射區(qū)均有大面積青色區(qū)域而入射區(qū)的紅色面積較小，這表明：當上層薄片的寬度值較小時，即使下層薄片寬度達到約束上限，雖然也會有較多的光能透過結(jié)構(gòu)，但是反射率較低，呈色效果較差。同時對于結(jié)構(gòu)仿真的時間研究表明，在前10fS內(nèi)結(jié)構(gòu)基本沒對光進行反射，在1020fS時間內(nèi)，結(jié)構(gòu)將大部分的光進行了反射，隨后逐漸減弱為準直線。關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)色；