前言：想要寫出一篇令人眼前一亮的文章嗎？我們特意為您整理了5篇微納光學(xué)技術(shù)與應(yīng)用范文，相信會為您的寫作帶來幫助，發(fā)現(xiàn)更多的寫作思路和靈感。

微納光學(xué)技術(shù)與應(yīng)用范文第1篇

英文名稱：Optics & Optoelectronic Technology

主管單位：湖北省科學(xué)技術(shù)協(xié)會

主辦單位：華中光電技術(shù)研究所;湖北省光學(xué)學(xué)會

出版周期：雙月刊

出版地址：湖北省武漢市

語

種：中文

開

本：大16開

國際刊號：1672-3392

國內(nèi)刊號：42-1696/O3

郵發(fā)代號：38-335

發(fā)行范圍：國內(nèi)外統(tǒng)一發(fā)行

創(chuàng)刊時(shí)間：2003

期刊收錄：

核心期刊：

期刊榮譽(yù)：

聯(lián)系方式

微納光學(xué)技術(shù)與應(yīng)用范文第2篇

光學(xué)之芒,燦爛輝煌。在光學(xué)的領(lǐng)域里,他頭頂著太多的“光環(huán)”,卻沒有絲毫松懈,肩負(fù)著無限重任,但始終沉著、堅(jiān)毅。他淵博寬厚,抱定赤子之心,十余載春秋獻(xiàn)身中國光學(xué)領(lǐng)域,他就是首都師范大學(xué)物理系研究員、系科研副主任張巖。

九天攬?jiān)馒欩]志 步步為營創(chuàng)輝煌

在通往科學(xué)高峰的路上,張教授一路前行,品嘗著希望與困難,交融著榮耀與汗水,深造期間,他用不懈的努力換來了中國光學(xué)科技前沿領(lǐng)域的重大突破。讀研期間,他同導(dǎo)師劉樹田教授一起在國內(nèi)率先開展光學(xué)分?jǐn)?shù)傅立葉變換的研究。為利用光學(xué)分?jǐn)?shù)傅立葉變換進(jìn)行信息處理鋪平了道路。在中科院物理所攻讀博士學(xué)位期間,開拓了分?jǐn)?shù)傅立葉變換在光學(xué)信息處理領(lǐng)域中的應(yīng)用,被評價(jià)是國內(nèi)在現(xiàn)代光學(xué)技術(shù)科學(xué)領(lǐng)域研究工作中的優(yōu)秀成果具有國際先進(jìn)水平。

1999-2001年,他獲得日本學(xué)術(shù)振興會博士后基金資助,在日本山形大學(xué)工學(xué)部從事生物成像研究,被應(yīng)用在實(shí)際的儀器上。2001-2002年,他在香港理工大學(xué)電子工程系從事光纖氣體傳感器研究。其研究內(nèi)容被收錄在《光纖傳感技術(shù)新進(jìn)展》一書中,已出版發(fā)行。2002-2003年,他在德國洪堡基金的資助下在德國斯圖加特大學(xué)應(yīng)用光學(xué)研究所任洪堡研究員,從事數(shù)字全息重建算法的研究,提出了利用相位恢復(fù)算法來進(jìn)行數(shù)字全息重建的新方案,引起了同行的重視和肯定。這部分內(nèi)容作為美國Nova Science出版社的新書《New Developments in Lasers and Electro-Optics Research》中的一章,已經(jīng)出版發(fā)行。

2003年,他進(jìn)入首都師范大學(xué)物理系工作,先后獲得了北京市科技新星計(jì)劃,北京市留學(xué)人員擇優(yōu)資助等人才項(xiàng)目的資助。作為北京市“太赫茲波譜與成像”創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)的核心成員,主要從事太赫茲波譜與成像,太赫茲波段表面等離子光學(xué)和微納光電子器件設(shè)計(jì)研究。他提出的多波長成像方法得到了美國Rice大學(xué)太赫茲研究者M(jìn)ittleman的認(rèn)可,被評價(jià)為不僅可以有效地增加成像范圍,還可以提高信噪比。多篇論文被太赫茲領(lǐng)域的虛擬期刊收錄。并于2007年和2009年分別到美國倫斯特理工大學(xué)和德國康斯坦茨大學(xué)進(jìn)行訪問研究。

歡聲震地 驚退萬人贏戰(zhàn)績

微納光學(xué)技術(shù)與應(yīng)用范文第3篇

關(guān)鍵詞：光子晶體；硅基光電子學(xué)；集成光回路

中圖分類號：TN256 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）08-0230-01

1 光子晶體

光子在傳播時(shí)，遇到周期排布的介電常數(shù)材料，將會產(chǎn)生布拉格散射，因而會產(chǎn)生光子能帶與帶隙，使光子晶體具有光半導(dǎo)體的性質(zhì)[1-2]。目前來說，我們主要靠對于缺陷的引入來實(shí)現(xiàn)對光子的局域化控制。缺陷有兩種基本形式：線缺陷和點(diǎn)缺陷。當(dāng)引入線缺陷時(shí)，對于處在光子晶體禁帶能量的光子，它不能逃逸進(jìn)入周圍的光子晶體當(dāng)中，因而只能沿著線缺陷的確定路徑傳播。光子晶體波導(dǎo)對于光的傳輸性能強(qiáng)過傳統(tǒng)的波導(dǎo)物質(zhì)，例如光纖。光纖依靠全反射作用來實(shí)現(xiàn)光的傳輸，但在較大轉(zhuǎn)彎角處由于不再滿足全反射條件而會有光子逃逸。在微納尺度上使用光子晶體波導(dǎo)的傳輸效率更高。光子晶體憑借它的特點(diǎn)，被廣泛研究。例如一些應(yīng)用于各個(gè)不同的光頻段，有的看重更低的損耗、小限制的傳播窗口，還有一些則具有特殊用途（減緩光速）。

自從光子晶體的概念被提出以來，它就和它的蘊(yùn)含的巨大應(yīng)用價(jià)值聯(lián)系在一起。[3]它那特有光子帶隙能夠抑制物質(zhì)的自發(fā)輻射，而這可以用于制作全反射鏡。另外，我們在其中引入缺陷，可以制成缺陷模，而缺陷?？梢杂弥谱魑⑶?、波導(dǎo)、光開關(guān)、甚至人們熟知的激光器和探測器等等。總之，集成光電子學(xué)是光子晶體主要的活躍范圍，但是同時(shí)光子晶體在其他各個(gè)方面也有著重要的應(yīng)用價(jià)值，它可以提高現(xiàn)今不斷走進(jìn)我們?nèi)粘Ｉ畹陌l(fā)光二極管的工作效率。

2 硅基光電子學(xué)

由于硅基半導(dǎo)體集成電路在生產(chǎn)規(guī)模和成本方面具有明顯的優(yōu)勢， 所以現(xiàn)階段人們嘗試用硅作為制作納米級電子器件的主要材料，來縮減在Ⅲ-Ⅴ族元素中尋找材料制作具有相同目的的微納光電子器件的成本，現(xiàn)階段人們憑借已知的硅在1.3～1.5μm通信波段具有的低功耗的優(yōu)勢，并以此為基礎(chǔ)，已經(jīng)成功生產(chǎn)出大量的硅基微納光電子器件，就比如說此類的耦合器、光波導(dǎo)器件等。雖然說現(xiàn)階段硅基微納光電子器件已經(jīng)具有相當(dāng)明顯的優(yōu)勢，但為了它在具體應(yīng)用的過程中保證夠達(dá)到預(yù)期的應(yīng)用效果，我們需要對其部分性能進(jìn)行有效的優(yōu)化。只要硅基微納光電子器件在性能方面能夠不斷地優(yōu)化、我們的技術(shù)能夠不斷完善，它的應(yīng)用空間就會得到擴(kuò)展。

在對硅光晶體的研究中，我們已經(jīng)看到：在硅基材料中引入光子晶體可以明顯的提高它的發(fā)光效率。憑借這我們可以預(yù)見：隨著新型硅基高效發(fā)光材料研究的不斷深入，新型制備技術(shù)如電注入泵浦方法的突破和光子晶體物理性質(zhì)研究的深入，以及對于高效硅基材料的發(fā)光特性使用光子晶體的局域光效應(yīng)加以控制，就很有可能提高硅基材料的l光增益，以此實(shí)現(xiàn)擁有低閾值的硅基激光器制備，進(jìn)而可以在微電子芯片中利用光子替代電子作為載體來實(shí)現(xiàn)光耦合互聯(lián)，消除電子傳播發(fā)熱的劣勢，這樣就可以突破電子瓶頸效應(yīng)。[4]

3 集成光回路

和普通的信息處理相似，信息處理“全光子化”，就是指利用光來進(jìn)行信息傳遞。它的概念包涵了光信號的發(fā)出、它的調(diào)節(jié)、對光信號的接收、對于信號的處理、信號的返回的整個(gè)過程。作為光信號的來源的有源發(fā)光器以光子晶體為基礎(chǔ)，光信號又受到光子晶體制成的光開關(guān)調(diào)節(jié)和制約。光子晶體波導(dǎo)還能實(shí)現(xiàn)對于信號的傳輸與分流的作用，根據(jù)第二節(jié)提到線缺陷波導(dǎo)的傳輸優(yōu)勢，能夠?qū)崿F(xiàn)高效率低損耗，每個(gè)分路又要經(jīng)波分復(fù)用器件下載，各個(gè)分路中的光信號在各自受到新的調(diào)制后，重新匯聚到干路， 回到接收裝置。因?yàn)槊恳徊糠值母鱾€(gè)部件在所用材料與大小上近乎一致，我們知道，傳統(tǒng)光學(xué)器件的大小在厘米尺寸，微小的加工誤差都會導(dǎo)致其工作頻率的較大改變，因而產(chǎn)生光模式不匹配的問題，都會有較大的功率損耗，微型化的光子器件能避免這一問題。同時(shí)相同材質(zhì)大小統(tǒng)一也方便光路一體化的實(shí)現(xiàn)。再加之與日益成熟的制備技術(shù)相適應(yīng)，將會為全光路信息傳遞集成化鋪就道路。

4 問題分析與展望

二十多年過去了，經(jīng)過這些年的發(fā)展，光子晶體理論已經(jīng)不斷發(fā)展完善，我們也已經(jīng)在其原理、設(shè)計(jì)取得了不斷進(jìn)步。二維光子晶體的制備相對容易，已有諸如反應(yīng)離子刻蝕和深紫外曝光等成熟技術(shù)。相對來說，對于集成光路更重要的三維光子晶體制備技術(shù)目前還不成熟，已有一些方法但還不能大規(guī)模集成化應(yīng)用，因此是關(guān)鍵發(fā)展方向。但是現(xiàn)有制備技術(shù)還是不完美，仍然有許多難題、核心關(guān)鍵有待克服。例如，二維晶體中的誤差控制，由于我們使用的光子頻率都在納米量級，晶體中幾何上的微小誤差都會導(dǎo)致對調(diào)制頻率的影響，進(jìn)而影響發(fā)射接收以及模式匹配。而我們需要將制備技術(shù)的精度提升到亞納米量級，才可以制備出高Q值的微腔，我們需要這樣一個(gè)可行的、簡便的方法。隨著光子晶體各種特殊現(xiàn)象、性質(zhì)在被不斷發(fā)現(xiàn)，一些新的研究方向隨之提出，或許一些新的性質(zhì)會隨著人們對于光子晶體的不斷發(fā)掘而被發(fā)現(xiàn)。

在硅基有源器件方面：我們?nèi)詫τ跐M足電泵浦、通信波段、產(chǎn)品化的硅基光源探尋不深，其中就包括擁有低閾值特性的III-V鍵合光源，十分穩(wěn)定的、使用低電壓驅(qū)動(dòng)的鍺激光器，還有以Er離子為基礎(chǔ)的電泵硅激光器；我們?nèi)孕柙谡{(diào)制器上努力以滿足需求。鍺探測器的暗電流制約其發(fā)展，為能夠大規(guī)模量產(chǎn)，需新技術(shù)降低暗電流。

在硅基無源器件方面：問題之一就是硅基波導(dǎo)材料實(shí)現(xiàn)低損耗需要特殊工藝處理，因而無法實(shí)現(xiàn)大規(guī)模電路集成；其二為實(shí)現(xiàn)光柵的高耦合效率需要增加反射層，使得工藝更為復(fù)雜；這些器件的加工工藝急需簡化，使其能用標(biāo)準(zhǔn)的CMOS工藝制備。在硅基光電集成方面：怎樣將光纖和波導(dǎo)高效耦合是一個(gè)難題；因?yàn)楣杌怆娮悠骷亩鄻有?，所以需要化為統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。另外加工平臺成本較高。此外，硅的高熱光系數(shù)使得其光學(xué)性能受溫度影響，這一點(diǎn)是器件設(shè)計(jì)上的難題。封裝也不容忽視。因此，為了硅基光電子集成投入量產(chǎn)，我們需要在材料、工藝、設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行研究。

展望未來它將幫助我們實(shí)現(xiàn)高速、低能耗的探測器設(shè)計(jì)；擁有低損耗的硅基激光器；十分高效的硅基光電子集成；高計(jì)算速率的光電接口；大能夠投入量產(chǎn)的大規(guī)模集成設(shè)備。

5 結(jié)語

在科學(xué)研究興盛的當(dāng)下，人們對于生產(chǎn)生活的需要往往能帶動(dòng)一種新的科學(xué)技術(shù)的出現(xiàn)與發(fā)展，沒有人們需求的推動(dòng)新的學(xué)說只是空想。新興生產(chǎn)技術(shù)的完善與發(fā)展也是需要科研工作者們堅(jiān)持不懈的探索與嘗試。光子晶體獨(dú)特的性質(zhì)備受關(guān)注，全世界的科研人員都對它抱有濃厚興趣，最初的概念現(xiàn)今已經(jīng)拿出了實(shí)體成果，我們可以看出對于它的研究人們走過的路程。在光子晶體的實(shí)用方面，我們以降低制作難度，減小制作成本，降低不確定性與不穩(wěn)定性為目標(biāo)，這也是為實(shí)現(xiàn)光學(xué)集成所必須做出的雖然這里仍有許多難題等待突破，但是我們?nèi)栽跒橹畩^斗。

參考文獻(xiàn)

[1]彭英才，Seiichi Miyazaki，徐駿，陳坤基.面向21世紀(jì)的Si基光子學(xué)Chinese Journal of Nature.

[2]倪培根.光子晶體制備技術(shù)和應(yīng)用研究進(jìn)展.物理學(xué)報(bào)，第59卷第1期2010（1）.

微納光學(xué)技術(shù)與應(yīng)用范文第4篇

【關(guān)鍵詞】 機(jī)械工程 研發(fā)應(yīng)用 發(fā)展策略

隨著時(shí)代的發(fā)展與能源的耗費(fèi)，21世紀(jì)人類社會面臨資源枯竭、氣候變暖、環(huán)境惡化、人口增加四個(gè)問題，面臨著嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。我國要向“制造強(qiáng)國”的戰(zhàn)略轉(zhuǎn)變，要實(shí)現(xiàn)此戰(zhàn)略轉(zhuǎn)移，關(guān)鍵在于制造技術(shù)的不斷發(fā)展，為了采取應(yīng)對未來機(jī)械工程的發(fā)展，需要正確認(rèn)識、預(yù)測工程面臨這些挑戰(zhàn)，并且加強(qiáng)制造科技創(chuàng)新能力，提升我國機(jī)械工程的不斷發(fā)展[1]。

1 機(jī)械工程學(xué)科的定義與進(jìn)展綜述

1.1 機(jī)械工程學(xué)科定義

機(jī)械工程學(xué)科包括機(jī)械學(xué)和制造科學(xué)兩大領(lǐng)域，主要是研究機(jī)械系統(tǒng)的性能、設(shè)計(jì)及制造的理論和技術(shù)的科學(xué)。其中機(jī)械學(xué)是研究機(jī)械結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)性能的學(xué)科，包括制造過程中的機(jī)構(gòu)學(xué)、設(shè)計(jì)學(xué)、動(dòng)力學(xué)、傳動(dòng)學(xué)、摩擦學(xué)、仿生機(jī)械學(xué)以及微納機(jī)械學(xué)等；制造科學(xué)是研究制造過程及其系統(tǒng)的科學(xué)，制造科學(xué)包括產(chǎn)品設(shè)計(jì)、成形制造、加工制造、測量及儀器、表面功能結(jié)構(gòu)制造、微納制造以及制造系統(tǒng)運(yùn)作管理等科學(xué)。

1.2 我國機(jī)械工程研究進(jìn)展綜述

機(jī)械工程研究推動(dòng)世界制造技術(shù)發(fā)展的主要?jiǎng)恿?，我國的機(jī)械工程技術(shù)雖然起步較晚，但是在航空、家電、微電子、石化、工程機(jī)械等行業(yè)，機(jī)械工程自主創(chuàng)新以及取得了長足的發(fā)展，為我國機(jī)械工程發(fā)展提供了大批新理論、新技術(shù)和新方法，為促進(jìn)我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供了技術(shù)支持，下面將介紹我國機(jī)械工程重點(diǎn)領(lǐng)域的發(fā)展情況[2，3]。

1.2.1 機(jī)械動(dòng)力學(xué)與傳動(dòng)學(xué)科發(fā)展

非線性動(dòng)力學(xué)、復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)智能維護(hù)是當(dāng)前機(jī)械動(dòng)力學(xué)的前沿領(lǐng)域。聞邦椿率先提出振動(dòng)利用工程的概念，采用動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)方法，創(chuàng)建了振動(dòng)利用工程學(xué)科。近年來，機(jī)械傳動(dòng)和控制的研究主要是高效、低能耗以及微型化。在相關(guān)的研究中，超聲電機(jī)是較為典型的傳動(dòng)機(jī)械，它突破了傳統(tǒng)電磁效應(yīng)電機(jī)原理，具有結(jié)構(gòu)簡單、噪聲低等優(yōu)點(diǎn)。王家序等針對船舶推進(jìn)系統(tǒng)的污染問題，提出了新型復(fù)合材料水動(dòng)密封軸承，節(jié)省了大量貴金屬、減少了對河海水的污染，得到了廣泛應(yīng)用。

1.2.2 仿生機(jī)械和生物制造領(lǐng)域發(fā)展

機(jī)械工程學(xué)科與納米科學(xué)、生物科學(xué)的交叉近年來的研究熱點(diǎn)，其中仿生機(jī)械學(xué)已經(jīng)成為一門新學(xué)科。任露泉通過研究動(dòng)物表面脫附減阻，采用仿真模擬和理論分析，開辟了我國機(jī)械仿生學(xué)領(lǐng)域，近年來根據(jù)該理論研制的機(jī)械已經(jīng)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)機(jī)械和國防工程。

1.2.3 機(jī)械測量學(xué)科領(lǐng)域發(fā)展

近年來機(jī)械工程研究中，機(jī)械測量產(chǎn)生原創(chuàng)性成果最多的領(lǐng)域，關(guān)于極端環(huán)境條件、智能數(shù)字化以及尺寸的測量是測量領(lǐng)域的主要發(fā)展方向。葉聲華等利用多種靶標(biāo)特殊幾何結(jié)構(gòu)，制備了能夠用于空間大尺寸測量的裝置，測量結(jié)果穩(wěn)定性好，現(xiàn)已用機(jī)和汽車工業(yè)。張書練等正交偏振激光器為核心，研發(fā)了精密測量儀器。秦樹人等提出了“智能虛擬控件”概念，并在此基礎(chǔ)上研制獲得可直接用于組建儀器產(chǎn)品的虛擬產(chǎn)品，該技術(shù)已經(jīng)廣泛用于教學(xué)測量分析中。

1.2.4 加工制造與設(shè)計(jì)學(xué)科領(lǐng)域

加工制造學(xué)科的發(fā)展重點(diǎn)在于高效、高精度以及柔性數(shù)字智能自動(dòng)化制造技術(shù)的研究。康仁科等針對天線罩電性能的特殊要求，構(gòu)建相關(guān)的理論模型，實(shí)現(xiàn)了測量加工一體化的精密修磨技術(shù)。譚建榮提出并實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品配置等4項(xiàng)設(shè)計(jì)技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)了機(jī)電產(chǎn)品的功能定制設(shè)計(jì)。黃慶學(xué)等自主設(shè)計(jì)制造中厚板剪切裝備，打破了國外產(chǎn)品的壟斷局面。韓旭提出高精度數(shù)字化模型的建模方法，提出了應(yīng)用于汽車零部件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)。

1.2.5 微納制造與納米加工領(lǐng)域

目前微型機(jī)械系統(tǒng)發(fā)展的主要趨勢是工程性能優(yōu)化、智能系統(tǒng)集成、批量低成本；而納米加工主要研究是材料加工方法、尺度效應(yīng)、納米結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)的制造。在微納系統(tǒng)設(shè)計(jì)制造方面，苑偉政等提出了MEMS集成設(shè)計(jì)工具，支持慣性、壓力、光學(xué)、射頻等器件的建模、仿真與分析，能夠?yàn)闄C(jī)械、電子等不同工程背景設(shè)計(jì)人員提供多層次、多入口的任意流程設(shè)計(jì)。

納米加工領(lǐng)域主要研究是納米納米梁、橋、探針、納機(jī)電諧振器結(jié)構(gòu)。董申等采用原子力顯微鏡機(jī)械耕犁加工方法，加工出多種復(fù)雜納結(jié)構(gòu)。周明等在飛秒激光生物分子納米加工。中科院物理所成功研制出具有對稱式機(jī)械結(jié)構(gòu)的雙探針掃描隧道顯微鏡探頭，提高了STM系統(tǒng)的信噪比，并應(yīng)用于實(shí)際。

2 機(jī)械工程科學(xué)發(fā)展總趨勢

我國的在機(jī)械工程科學(xué)雖然已經(jīng)取得較大的進(jìn)展，但是總體上還處于落后狀態(tài)。未來機(jī)械工程學(xué)科將主要受到制造業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展和學(xué)科的演變進(jìn)步的推動(dòng)與制約，因此我國機(jī)械工程新技術(shù)的發(fā)展，需要適應(yīng)全球化、信息化、綠色化、知識化和極端化的總趨勢發(fā)展，為制造業(yè)提供先進(jìn)的制造技術(shù)。由于我國資源和環(huán)境將在未來面臨空前的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，因此機(jī)械工程新技術(shù)的發(fā)展需要重視環(huán)境的保護(hù)、材料和能源的節(jié)省以及新能源制造領(lǐng)域的研究[4]。

3 機(jī)械學(xué)發(fā)展展望

（1）機(jī)械工程學(xué)科中機(jī)構(gòu)學(xué)是代表性學(xué)科之一，因?yàn)闄C(jī)構(gòu)學(xué)研究注重機(jī)構(gòu)學(xué)基礎(chǔ)理論以及注重與制造的學(xué)科交叉，從而使機(jī)械工程理論與關(guān)鍵技術(shù)能夠同時(shí)取得突破，制備開發(fā)出性能優(yōu)良的設(shè)備，在機(jī)器人機(jī)構(gòu)、工程機(jī)械、以及仿生機(jī)構(gòu)等工程機(jī)構(gòu)學(xué)大有用武之地。

（2）我國的機(jī)械設(shè)計(jì)理論與技術(shù)落后，導(dǎo)致中高端技術(shù)裝備中自主產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品少，因此應(yīng)該重點(diǎn)推動(dòng)復(fù)雜系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)、復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)的概念設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)支撐系統(tǒng)、基于網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)性能仿真虛擬設(shè)計(jì)等領(lǐng)域的理論、方法和技術(shù)的發(fā)展，提升機(jī)械設(shè)計(jì)的發(fā)展。

4 結(jié)語

目前我國的機(jī)械工程科學(xué)還處于相對落后的階段，具有較大的發(fā)展空間，為了促進(jìn)我國機(jī)械工程新技術(shù)的發(fā)展，需要制定學(xué)科的長遠(yuǎn)發(fā)展規(guī)劃，加強(qiáng)原創(chuàng)性理論研究以及新技術(shù)方法的支持力度，力爭在2020年前后，使我國的機(jī)械與制造學(xué)科總體上進(jìn)入國際先進(jìn)行列，促使我國制造業(yè)產(chǎn)生更多的高技術(shù)產(chǎn)品和世界名牌企業(yè)。

參考文獻(xiàn)：

[1]中國科學(xué)技術(shù)協(xié)會.2008―2009機(jī)械工程（機(jī)械制造）學(xué)科發(fā)展報(bào)告[M].北京：中國科技出版社，2009.

微納光學(xué)技術(shù)與應(yīng)用范文第5篇

關(guān)鍵詞：集成化；微光學(xué)標(biāo)簽；微型二維碼；小透鏡陣列

中圖分類號：TP309.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2013）03-0015-03

0 引 言

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，各種條形碼正快速地進(jìn)入人們?nèi)粘Ｉ詈凸ぷ鞯母鱾€(gè)方面，給人們的生活和工作帶來了極大的便利[1]。目前，一維條碼和射頻識別（RFID）在社會上應(yīng)用非常廣泛，但隨著應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，一維條碼和RFID也開始顯現(xiàn)出了它們的不足。例如，存儲容量小，安全性低，體積大，價(jià)格貴等[2]。在2009年，美國麻省理工學(xué)院多媒體實(shí)驗(yàn)室研究人員發(fā)明出了一種光學(xué)標(biāo)簽，它存儲的數(shù)據(jù)要比同樣尺寸條形碼多數(shù)百萬，而且還沒有RFID的安全疑慮，同時(shí)這種名為Bokode標(biāo)簽的大小只有3 mm，比傳統(tǒng)條形碼小很多[3]。在2011年，南京郵電大學(xué)光電工程學(xué)院設(shè)計(jì)并制作了有源和無源微光學(xué)標(biāo)簽系統(tǒng)[4-5]。本文根據(jù)Bokode標(biāo)簽原理設(shè)計(jì)并制作一種集成化微光學(xué)標(biāo)簽系統(tǒng)，其發(fā)射端采用集成化方式，接收端用手機(jī)相機(jī)接收。該系統(tǒng)能低成本、大規(guī)模地應(yīng)用微光學(xué)標(biāo)簽。

1 微光學(xué)標(biāo)簽系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與原理

微光學(xué)標(biāo)簽系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，其主要包括集成化發(fā)射端和接收端兩個(gè)部分。集成化發(fā)射端由LED、微型二維碼、小透鏡組成；接收端采用手機(jī)相機(jī)接收微型二維碼圖像，并利用手機(jī)中解碼軟件來解碼。由于手機(jī)相機(jī)焦距和光圈都已確定，要滿足標(biāo)簽微型化及手機(jī)相機(jī)接收要求，我們主要設(shè)計(jì)發(fā)射端，即微光學(xué)標(biāo)簽。

微光學(xué)標(biāo)簽系統(tǒng)原理圖如圖2所示。微光學(xué)標(biāo)簽小透鏡為孔徑光闌，其孔徑為b，焦距為fb，微型二維碼位于微光學(xué)標(biāo)簽小透鏡的物方焦面上；手機(jī)相機(jī)物鏡為視場光闌，其孔徑為a，焦距為fc；u為探測距離。在文獻(xiàn)[3]中，由于公式的推導(dǎo)是基于相機(jī)探測距離u遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于fb的情況，沒有考慮到近距離探測情況，不具有普遍性，所以本文下面將具體探討一般情況下公式的推導(dǎo)。在一般情況下，需要考慮到視場光闌的因素，視場光闌通過其前面小透鏡在物空間中成的像a為入窗，它限制了能觀測到的微型二維碼。設(shè)能夠看到的微型二維碼碼塊尺寸為d，入窗與微型二維碼的距離為x，F(xiàn)到相機(jī)物鏡中心的距離為x。根據(jù)牛頓公式xx=fb2和垂直放大率公式[6]=x/fb得a=a=afb/x，再由計(jì)算。再運(yùn)用光學(xué)系統(tǒng)共焦成像放大率公式[6]算出微型二維碼成像碼塊尺寸：

2 集成化發(fā)射端的設(shè)計(jì)與制作

2.1 微光學(xué)標(biāo)簽的設(shè)計(jì)

中國移動(dòng)使用的QR Code標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 18284—2000，該標(biāo)準(zhǔn)中的最高容量版本40的模塊數(shù)為177×177[7]。為滿足終端裝置即手機(jī)的識讀，每個(gè)模塊至少占4個(gè)像素點(diǎn)，則終端圖像傳感器像素點(diǎn)至少為：

（177×2）×（177×2）=354×354=125 316

我們選用諾基亞N8手機(jī)作為標(biāo)簽的接收器，該手機(jī)圖像傳感器的分辨率為4 000×3 000=1 200萬，因而有足夠的分辨率冗余度。

手機(jī)相機(jī)的光圈F為2.8，焦距fc的大小為5.9 mm，根據(jù)公式F=fc / a [8]可知手機(jī)相機(jī)鏡頭的光圈孔徑為a=fc / F=2.11 mm。手機(jī)相機(jī)圖像傳感器的尺寸是dmax=7176×5319 m，像素大小為1.8 m，但能夠分辨和識別的二維碼的最小尺寸是dmin=354×1.8 m=0.6372 mm。

本文選用精度為40 m的光繪機(jī)來制作微型二維碼，微型二維碼的模塊數(shù)為25×25，則微型二維碼碼塊尺寸d=25×40 m=1 mm。由于手機(jī)相機(jī)能夠分辨和識別的微型二維碼的最小尺寸為0.637 2 mm，而我們要制作的二維碼碼塊尺寸大于最小尺寸，因此滿足要求。

由于二維碼像尺寸d與探測距離u之間具有關(guān)系d=fca/u，所以分辨條件d≥dmin給出系統(tǒng)的接收距離范圍是：

u≤fca/dmin=5.9×2.11/0.637 2=12.45/0.637 2=19.54 mm

即探測距離u最大值是19.54 mm。若探測時(shí)超過這個(gè)探測距離最大值，則圖像無法正確解碼出。

本文設(shè)計(jì)的集成化發(fā)射端如圖3所示，其中小透鏡用PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）來制作，折射率為1.49，小透鏡球冠高度h=r，孔徑直徑D=2r，微型二維碼置于小透鏡的焦面上，于是得出單球面折射透鏡的焦距[9]：

根據(jù)得出的u≤fca/dmin和fb=3r，有：

得：

同時(shí)還要考慮微型二維碼圖像放大，有：

得。所以本文可取r=1.8 mm，則要制作的小透鏡焦距 fb=5.4 mm。

根據(jù)上面的數(shù)據(jù)所設(shè)計(jì)出的微型二維碼陣列和小透鏡陣列部分如圖4所示。微型二維碼陣列為39×54，碼塊尺寸為1 mm，兩碼塊之間的距離為0.5 mm；小透鏡陣列為13×18，球冠高度為1.8 mm，孔徑大小為3.6 mm，焦距為5.4 mm，兩透鏡之間的距離為0.9 mm；兩小透鏡的中心間距、微型二維碼碼塊與相鄰第三個(gè)碼塊的中心間距都為4.5 mm。

2.2 微型二維碼的制作

現(xiàn)將南京郵電大學(xué)使用軟件PsQREdit_chs_v2.42按照糾錯(cuò)能力15%轉(zhuǎn)換為QR二維條碼，然后用激光光繪機(jī)來制作微型二維碼，其制作成的一張微型二維碼陣列部分圖如圖5所示。

2.3 小透鏡陣列的制作

小透鏡陣列是一系列口徑在幾個(gè)毫米的小型透鏡按一定排列組成的陣列[10]。由天津微納制造技術(shù)有限公司采用靜態(tài)鑄塑法制作的小透鏡陣列如圖6所示，所制作成的小透鏡陣列為13×18規(guī)格，小透鏡孔徑為3.6 mm，焦距為5.4 mm，兩透鏡之間的間隔為0.4 mm。靜態(tài)鑄塑法又稱澆鑄法，是指將已準(zhǔn)備好的澆鑄原料注入一定的模具中，使其發(fā)生聚合反應(yīng)而固化，從而得到與模具型腔相似的制件[11]。

2.4 微型二維碼與小透鏡的集成

我們先把495膠水涂抹在13×18小透鏡陣列上，接著再把微型二維碼陣列對整地粘貼在小透鏡陣列上，最后采用CO2激光切割機(jī)來切割它們，切割完后就能得到一個(gè)個(gè)微型二維碼與小透鏡的集成化小單元。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)時(shí)，可用LED作為光源，并調(diào)整手機(jī)相機(jī)與小透鏡之間的距離，穩(wěn)定后用手機(jī)相機(jī)讀取微型二維碼，之后再用軟件PsQREdit_chs_v2.42解碼，看看解碼結(jié)果是否正確。實(shí)驗(yàn)時(shí)，分別調(diào)整手機(jī)相機(jī)與小透鏡之間的距離為10 mm、19.54mm、25 mm。

當(dāng)手機(jī)相機(jī)與小透鏡之間的距離為10 mm時(shí)，讀取結(jié)果和解碼結(jié)果分別如圖7所示。這時(shí)，微型二維碼在手機(jī)相機(jī)的CMOS上成像變大，圖像較模糊，但是解碼結(jié)果和編碼信息是一樣的，證明所設(shè)計(jì)的微光學(xué)標(biāo)簽可行。

當(dāng)手機(jī)相機(jī)與小透鏡之間的距離為19.54 mm時(shí)，讀取結(jié)果和解碼結(jié)果分別如圖8所示。這時(shí)，微型二維碼在手機(jī)相機(jī)的CMOS上成像變小，圖像最清晰，而且解碼結(jié)果和編碼信息是一樣的，證明了我們設(shè)計(jì)的微光學(xué)標(biāo)簽可行。

當(dāng)手機(jī)相機(jī)與小透鏡之間的距離為25 mm時(shí)，讀取結(jié)果和解碼結(jié)果分別如圖9所示。這時(shí)，微型二維碼在手機(jī)相機(jī)的CMOS上成像變得更小，圖像模糊，而且解碼結(jié)果不成功，說明了超出最遠(yuǎn)探測距離時(shí)，用手機(jī)相機(jī)將無法識讀微型二維碼。

4 結(jié) 語

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，為了能夠低成本、大規(guī)模地應(yīng)用微光學(xué)標(biāo)簽，微光學(xué)標(biāo)簽的發(fā)射端采用集成化方式設(shè)計(jì)，從而能使微光學(xué)標(biāo)簽在社會上得到普及應(yīng)用。同時(shí)，接收端采用手機(jī)相機(jī)進(jìn)行接收，這樣能使人們更方便地知道微光學(xué)標(biāo)簽信息。微光學(xué)標(biāo)簽與手機(jī)相機(jī)的結(jié)合是信息技術(shù)發(fā)展的結(jié)果，所以微光學(xué)標(biāo)簽普及應(yīng)用之后，手機(jī)相機(jī)就不僅僅是拍攝圖像的工具，同時(shí)也可以是信息傳遞的工具。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 中國物品編碼中心. 條碼技術(shù)與應(yīng)用[M]. 北京： 清華大學(xué)出版社，2003.

[2] 計(jì)庫.二維條碼與一維條碼、RFID比較[J]. 中國自動(dòng)識別技術(shù)，2008（3）：32.

[3] ANKIT Mohan， GRACE Woo， SHINSAKU Hiura， et al. RasKuBokode： imperceptible visual tags for camera based interaction from a distance [J]. ACM Transactions on Graphics， 2009，28（7）： 27-34.

[4]林武，梁忠誠，張浩.有源加密型微光學(xué)標(biāo)簽的設(shè)計(jì)與制作[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2012，2（3）：25-28.

[5]張浩，梁忠誠，林武，等.無源微型可視化光學(xué)標(biāo)簽系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2012，2（4）：22-24.

[6] 石順祥，張海興，劉勁松.物理光學(xué)與應(yīng)用光學(xué)[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2000.

[7] ISO. ISO/IEC：18004：2006 QR code 2005 bar code symbology specification [S]. Geneva：ISO， 2006.

[8] 安連生. 應(yīng)用光學(xué)[M]. 北京：北京理工大學(xué)出版社，2002.

[9] 胡玉禧. 應(yīng)用光學(xué)[M].合肥：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，2009.