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基于光栅的结构色呈色机理与光谱特性分析.pdf

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ABSTRACTColor is one of the most important human feelings,the study of c010r and light haLs along reseaurch.Color can be醇iVided into two categoriespigment color姐小stnlcture color.The fomer relies on me selective abso印tion of li曲t pigment fomlation,the la骶r d印endson the special role of the special structure of the composition of light,it fo肌s an ordinar,paint color,it h2us many advantagesnot aVailable,high brightness,high saturation,do notf.ade,special efI’ects,etc.,has become the focus of me c010r of the scientific comm嘶ty.This paper uses electromagnetism f.dtdFinite Difference Time Domainas thetheoretical basis,based on the mechanism of the microstmcture of periodical gratings,usethe FDTD solutions designed with the color characteristics of”aSymmetric殍atingstmcture”,Dif亿rent盯ating paLr锄eters were studied including spine,ladders,cycle,materials and incident conditions on innuences of its color spectmm characteristic peaksand variation.Using FDTD calculation principle in the MatlabR2009a,changing therenectivi够of FDTD a11alysis par觚1eters obtained characteristics correSponding to thespectral culⅣe comparison ctmrt.Analysis of V撕ation of spectral curves,optimizing rasterstructure model obtained¨optimal structure model”,and nonstmctllral paur觚leters includeperiod,background ref.ractiVe index,refractiVe index,1ight the angle of incidence on the”optimal structure ” chromatic effects. Obtain the maximum peak charaCteristic ofstmctural model,study on me renectiVity of the model,the magnetic stren薛h of opticalcharacteristics etc.Research results show that special grating microstmctures caJl haVe a specificstmcture.”Asymmetric grating stmcture”cuⅣes of difI’erent par砌eters on the spectralpeak of innuence are not the same.With the increasing of cycle,not waVe is proportional tothe value increase cycle 900m,crest began reducing color blend;with me increaSe of cycle,crest position shift to longer waVelen垂hs,color hue changes.Back伊ound re丹actiVe indexgreater lower spectral renectance,spectral pedks of-fSet to、Vards the longwaVe;backgroundref}active index aRer a specific range is exceeded,the str。ucture of color wiU f.ade as thespectral peak of reduced. Stmctural changes in the refractiVe index of the mediumreflection spectmm resulting丘om chaJlges in botll the peak and peak positions arerelatively s培nificant.As the material refractiVe index of medium becomes large,therenection peak ShjRed whjle the width at half maximum becomes large.When the incidentoblique incidence,the renection pedk relatiVe positiVe peaks redshiR、vhen me incident,butthe half-width of t11e peak decreaSes.Renectance spectra、vith the change of incidenceangle0。-30。,peak position has obViously changed,that is,when Viewed along the axialvariable aJlgle,the color of tlle stmcture is di虢rent.For the”optimal structure”of theoptical properties of studies haVe sho、Vn thatChanging the corresponding parameters can万方数据be controUed to achieVe c010r,.kno、Ⅳn as color degradation. The top of the ¨optimalstnlcture”three一】ayer sheet male a greater contribution to color,which will be most of theIight is renected back,only a hand向l of 1ight through to the 3rd floor sheet.”0ptimalstructure”raster area and trahsmi§siod area has lar垂e green 2urea and the red area of theincident area is smaller,w11ich indicatesWhen the width of the upper value of me sheet issmall,eVen if the width of the sheet reaches the lower bound limit,althou量h there will bemore li曲t缸ou曲the stmcture,but the reflectaJlce is low,poor coloring e虢ct.While forstnJctural simulation of time studies show that,in the f0珊er l 0fS stmctllre did not renectlight,in the 1 020fs period,the stmcture wiU be carried out most of tlle light renection。then gradually weakened as the standard line.Keywordsstructural color;6nite di舵rence time domain ;grating stmcture model;spectral properties万方数据目 录1前言1231.1课题研究背景..11.2国内外研究现状。。31.2.1国外研究现状31.2.2国内研究现状41_3研究目的、意义和研究内容51.3.1研究目的、意义51.3.2主要研究内容61.4结构色呈色原理介绍..71.4.1生物结构色的形成与应用71.4.2光栅结构的光学特性81.4.3几种结构色的光学原理91.4.4 FDTD方法简介14材料与方法1 82.1 FDTD Solutions使用流程和方法..182.2周期性光栅模型结构的建立.212.2.1相关结构参数的定义。。212.2.2非对称光栅结构模型的设计..232.3优化参数建立最优结构262.3.1结构参数的影响.262.3最优结构模型的建立及分析.312.3.1最优结构模型的建立..3 l2.3.2各种非结构参数对结构的影响..322.4最优结构的光学特性研究.34结果与讨论373.1对称结构模型和非常对称结构模型结果比较..373.2各个结构参数对“非对称结构”优化结果的影响..373.3优化结构模型各参数的变化规律.413.4最优结构的光学特性规律.44结论.46展望47参考文献48攻读硕士期间发表论文情况.54致谢55万方数据天津科技大学硕士学术论文l前言1.1课题研究背景色彩是人类重要感觉之一,是对人眼的关键刺激物。所以,历年来众多的科学家投身于研究光与颜色的变化关系。即使颜色科学的发展时间较长且历史悠久,但是随着纳米科技的进一步发展,结构色作为色彩科学界中的分支却是最近几年刚兴起的新的研究区域。在本论文中,我们尝试将最新的光学研究成果光栅加入到颜色科学中去,并对结构色的原理进行探究。在自然界中,一般按颜色的成因不同主要分为两种色素色和结构色,色素色是由生物体内本身有的色素分子引起的,色素分子呈色是通过对特定的光线进行选择性的吸收、反射、和透射才呈现出来的。这些颜色大都是同常生活的颜色,比如涂料的色彩和印刷品的颜色等,这样的颜色不会保存鲜艳太久的, 同时色彩的变化不多姿多彩,不能从不同的角度改变颜色。但是在我们的生活中大多数的还是以色素色为主的,占据颜色的主要领域。可是色素色有个非常大的缺点,那就是色素色容易褪色,不能长久的保留,因为组成颜料的色素分子时问久了会和空气中的其他活跃分子相互发生反应,从而使得颜色逐渐的褪去。这样过一段时间,组成色素的分子的化学性质就改变了,颜色也就跟随发生改变了。结构色的存在生活中很少见,主要在生物界中,以鸟类贝壳和昆虫为代表的,这些颜色大都五光十色,非常的耀眼,有些颜色当你的观察角度改变的时候,颜色就变成另外一利,色彩。结构色形成的本质就是光作用在特殊的结构上对光线的改变,组成物质的特殊结构当光线照过的时候就会对这些光线的传播进行重新的排列,它们之问通过复杂的相互作用如对不同波长的选择性反射和折射,产生了特殊的光学效果,使我们的眼睛看到这些特殊的颜色。把这些光学效应一般归结为以下三种效应之一和它们之问相互作用产生多层薄膜的干涉效应;微结构周期性的相衍射的作用;特殊波长的颗粒的散射作用12j。当这些微观结构不一样的时候,对光的作用也就不一样,形成的颜色也就是缤纷多彩的了。结构色本身就具有高饱和度、高亮度、虹彩现象、永不退色、偏振效应等优点,这些特点是平常的色素色所不具备的,是一种值得探究的颜色。结构色的产生只与产生颜色的物质本身具有微结构排列有关【4巧J,换句话说只要结构排列不变,结构色就永远不会褪色。在上述的情在这里是有个前提,就是建立起这种微结构的物质是不能与空气中化学成分发生化学反应而改变了介质的化学性质。结构色是本身结构的原因产生的,不会对环境产生污染,更加符合环保低碳的绿色的概念。结构色发现以后,人们开始了很多研究,并将结构色初始的时候分为了两类即有序的结构色和无序的结构色。这是结构对光的不同作用的效果。有序的结构色是自身的结构组成由顺序即所谓的空间排布的对称性,最常见的例子就是膜结构和光栅结构。而另外一类无序的结构就是自身的组成结构是无顺序的,即所谓的非对称结构,万方数据I前言常见的例子有天空中白云包含的液滴和白色涂料【6j。除了结构上的差异,这两类结构在空问中对光的作用有很大的区别的,对于有序结构,它的作用在空间中的散射是相互影响干扰的,这样的散射是需要通过光子能带其进行定性分析;然而无序结构空间的散射没有空间的相互干扰相关性,每个散射都是相互独立存在的,所有的散射都可以看成是简单的总的散射的简单相加之和。通过研究这些的原理,科学家得出结论就是有序结构的产生根源就是各个之间的相干散射,而无序结构产生的根源其实就是单一的单体散射。然而,随着对光与结构相互作用的进一步认识,尤其是在光与各种特殊微结构相互反应方面深入的研究,人们进~步研究出绝大部分的生物结构色其实是来源于周期性微结构,这些周期性的微结构从大的方面来说可以划分为以下几种类型光子晶体,薄膜和光栅复合结构,薄膜和多层膜,非晶结构,无序结构,光栅。同时光学里面的光栅结构会使光线发生显著的衍射、干涉、或散射等光学效应,这样最后会产生一些特定颜色效应,光栅的快速发展结合结构色的探讨已经成为研究光和结构色的一大趋势。自然界中很多物种利用特殊的组成结构来产生绚丽的色彩,如孔雀、蝴蝶、甲壳虫和真菌【71。它们的颜色不同于色素色,具有不一样的光泽、强度、色相。同时它们有个最大的优点那就是它们具有的不同角度色彩的各向异性是颜色科学兴趣的重要议题。就如变色龙,面对外界的危险的时候,这些类型的动物能够改变他们的颜色,主要是通过改变组成结构之间的距离或者是调整不同的液体量在结构之间的差距。所以说结构色对比色素色有非常大的区别。色素颜色是基于颜料对于光的吸收或发射,对比之下,结构色是通过物体空问结构的调制来决定的。此外,有些光子晶体能够产生这些高亮度高色泽的颜色的。结构颜色的实际使用主要在以下方面太阳能电池、纺织装饰、传感器【81。结构色的发现和研究带给了人们很多的启示,使得结构色的多样性的应用有很大的发展和利用空问,是未来颜色科学的研究方向。但是问题是人们又该如何制作结构色的反射光谱结构的颜色是现在科学研究的一大重要议题。近代研究结构的理论众多,但是大多是利用时域有限差分法FiniteDif-ference TimeDomaill,FDTD【9。13】,利用它来对特殊蝴蝶鳞翅微纳结构的结构色现象产生机理进行深入分析。这种方法是从麦克斯韦方程组出发,通过公式变换将微分式转换为差分式,直接对其时域场旋度方程的微分式来进行差分,从而得到关于场分量的有限差分方程,然后可以求解得到计算区域内的电磁场场分布,最后即可根据坡印廷定理计算求得相应的光谱的反射率。本课题研究自然界中结构色呈色的不同机理和光栅微结构的反射或透射光呈现颜色的特点,运用FDTD时域有限差分法理论,以FDTD Solutions和MATLAB为平台,建立了两种周期性光栅结构仿真模型。根据结构色的呈色机理特点,可以把光栅结构色可以应用在可控的颜色和防伪上面。通过研究微观结构的应用,可以从具有某种光学先进特性的涂料、可见光的抗反射膜、织品到紫外线的抗反射膜,再到某些光电元件上,同时还可以应用于银行信用卡和钞票的防伪等方面,开发新型变色材料,宽角度的液晶显示,能根据光入射的不同角度来改变颜色,还可以研制新万方数据天津科技大学硕学术论文的化学颜料甚至还可以应用到工业上的彩色喷涂技术的改进上。1.2国内外研究现状1.2.1国外研究现状早在几百年前,人们就开始了对结构色的研究,Robert.H00k等在1665年出版的Microgmphia中就曾猜想到,孔雀和鸭子这些羽毛的炫彩的颜色来源于于羽毛中特殊的微观结构的作用【1 01,同时他们用显微镜观察到这种多层膜的在空气中的结构,而且这种结构和自然光的强烈反射作用是可以看到的。牛顿在1730年出版的著作Opticks中验证了他们的猜想是正确的,同时指出孔雀鲜艳的颜色决定于羽毛透明部分的厚度。自此以后结构色研究就成为了科学家探索的热点。在1895年时,BWater等在nature发表的文章Sur最lcecolours内对有微观结构构成的颜色进行了论述㈣。1 897年AG.Maver发表了关于蝴蝶形成结构色的文章。从此以后,对于具有结构色载体的蝴蝶翅膀微观结构的研究在不断进展,与此同时,相应的光学特性理论和实验研究也跟随着得到了很大发展。在1920年提出的多层干涉理论在很长一段时问内都能合理解释了大部分结构色现象,随着进一步对结构色深入的研究,这个理论也是不能解释很多现象,利.学家丌始探索不同多样的理论来研究,同时还不断的进行建模仿真来解释结构色的呈色原理,并且进行仿生应用。1972年,Ghiradella对蝴蝶翅膀结构色的原因进行了研究,同时利用多层干涉形成理论解释这种结构色,2000年,Vukusic对PaiJi0 palinurus产生特殊颜色的光学机理做了全面的论述112-¨j。他根据对两种不同的Morphorhetenor蝴蝶的研究,提出了颜色混合的观点。1999年,Porto等人发表了文章,在文中他首次提出了光栅结构产生结构色的理论,并解释说这种光栅结构是周期性的,且光栅狭缝深且窄能够产生透射共振的。这种共振主要是这些狭缝对光线的入射引起的,同时有些共振不完全是这些的,还有另一方面是因为表面金属等离子极化产生。Astilean等人通过引入有效折射系数,利用该系数能够定量的来说明光栅结构和亚波长相互共振透射现象的能量问题,最大的贡献就是采用Fabrv.Perot共振解释了共振的现象。2000年Went等人通过研究电磁波的光电耦合的现象,解释了这种光电耦合共振激发原理,同时说明了这种共振根源就是多层膜的干涉原理,而这种干涉是金属光栅结构的对光波的选择透过的反射光线,也进一步的定性地解释了这种金属光栅在普通入射光下能够呈现绿色的形成原因。2001年W0ng等人完整的介绍了一种能够实现仿生的结构,这就最经常研究的蝴蝶结构鳞片的结构,主要是对复杂规律性的光栅结构的设计和制造u引,这种人工制造的光栅是由六边形单元相互拼接形成的结构,而且这种光栅是矢量的,即在每个方向都不一样。通过研究这个特殊结构的光学特性,仿真了这个结构,并进一步解释了大闪蝶翅膀在可见光范围内能够呈现蓝色的原因。2004年Coath利用光学中干涉和衍射相互作用的物理机理,巧妙的解释了蝴蝶形成颜色的原因,论述并模拟了一种和蝴蝶结构相似且能呈现颜色的结构模型。通过变换脊柱的不同周期,该结构就可以产生不同颜色效果,这一模拟结构可以被用来作为一种颜色显示器。2002年Kinoshita等有序和无序的微万方数据观结构的相互作用的原理,建立了一种不同以往的的理论模型来解释蝴蝶鳞片结构色的结构的反射特性,同时还发现在蝴蝶鳞片下是有色素的,这种色素也是结构色形成的一定因素,它是可以减少背景色的影响的,这样呈现的蓝色结构色得到了很大的加强【16】。2003年Luca P1attne等人利用了另外一种研究理论,那就是时域有限差分法FDTD。利用它可以对微观的周期性结构进行了理论研究分析。Giraldo则引入散射的远场理论对结构色进行研究,对非洲大闪蝶和其他能呈现结构色的蝴蝶进行了光谱曲线的反射特性的研究【17】。2004年,McPhedran等人提出了Morphorhetenor鳞片结构色的形成主要是其特殊构成的微观结构,而这种微观结构是一种天然的光子晶体。通过引入这光子晶体是研究结构色的里程碑,同时将结构色带入到另外一个新的研究领域,于是在2006年Michielsen提出利用仿制特殊的光子晶体来显现一定的结构色11引。2012年,日本帝人公司设计生成了摩尔佛纤维Morphorhetenortex的纳米面料,这种纳米面料是采用纳米科技开发生成的,这项新型的科技产品是模仿蝴蝶的羽翼原理,利用光反射而发出颜色的特点而制作成的。这种纤维是利用特殊的材料聚酯和尼龙材料来制作的,这些不同的材料有个特点那就是它们的介质折射率是不一样的,这个是61层的多层积层结构它的以数10纳米序列为单位制成,一点也不使用染料,就可利用光之折射来发出彩色的颜色。使用这种材料可以减少染料和色料对环境的污染,这种新纳米纤维材料技术对于地球环保非常有帮助的。对于这项高科技的研究技术,日本已经申请jHj有非常多的专利特权。P.Vukusic等人目前正在研究如何模仿利用大闪蝴蝶翅膀的微观结构,在信用卡或者纸币等上也布满类似的特征,这种结构使得没有技术能够仿制这种有价证券,所以无论如何就算是仿照的的假币外表有多相似,他们绝没有技术也在假币上弄出分布和大小与真币一样的特征小坑。这种假币只要利用相关的设备进行检验,就会立现真假【l 91。随着对生物结构色的研究的逐步完善,尤其是与它相关的技术越来越成熟,给结构色的最终实际应用提供了强有力的技术保证和基础,同时通过与物理、生物、材料等学利.知识的结合,令我们以后会看到了许多崭新的技术成果。1.2.2国内研究现状同国外研究相比,国内对生物结构色的研究起步相对还是很晚,但已经很好地学习并继承了国外的先进方法和技术,同时也取得了一定的成绩。在清华大学材料系新型陶瓷与精细工艺国家重点实验室对庄周之梦蝶的色彩策略进行了研究【20。2lI,光子晶体将的特殊狭缝是造成这种蝴蝶翅膀发出亮蓝色反光的原因,并建立了仿真的结构模型,把这个简单模型作二维有序点阵处理,利用随机入射的光线,通过转移矩阵的方法,计算出了反射和透射系数,同时也分析了七彩斑蝶、翠蓝斑凤蝶、红粉蝶的周期微观结构以及其的光学性质。国内许多科学家针对蝴蝶翅膀能够呈现的结构色进行相应的研究。南京理工大学的何小祥等人是通过使用外延表面技术进行时域有限差分方法相结合,对Morphorhetenor蝶翅特殊的微纳结构的光学电磁散射特性进行了专门的研究,探索出4万方数据天津科技大学硕士学术论文它反射的蓝光是特殊的光子晶体,并利用其特殊的呈色特点通过仿生学原理制造了新异的吸波材料。南京理工大学的金魁对Morphorhetenor进行研究,分析说明了蝴蝶翅膀的光学光谱散射特性,进行结构的电磁理论分析研究,应用的方法是时域有限差分FDTD方法,研究出蝴蝶在太阳光下呈现绚丽蓝色的结构机理,并且能够运用科学数值计算方法,定量的进行了分析。吉林大学的学者韩志武、任露泉等对蝴蝶鳞翅特殊呈色结构和变色机理等相关方面详细深入研究,并根据研究成果成功建立了隐身吸波结构模型,并对这种模型的隐身特性进行实验和应用,同时将该理论进一步研究,主要是为了军事和国家防卫做准备。浙江大学的Huang等通过利用低温ALD的工艺,将很高的温度去掉除去鳞片的生物结构,同时在蝴蝶的翅膀结构上沉淀出一层氧化铝薄层,利用这种工艺,最后得到了一层比较完好的仿蝴蝶的微观结构反转膜层。他们对这个仿制的结构进行实验研究,结果证明该结构和原始的蝴蝶结构的光学特性非常的相似【2引。这项工艺的成功使得结构色可以进行加工控制了,就是通过控制ALD沉积不同厚度的氧化铝薄层,进而生产处可以产生不同颜色的结构。吉林大学的任露泉教授等采用SEM和TEM分析蝴蝶鳞片结构的密度、尺寸、分布、排列、形态等特点,通过采用光学测试系统,测试了不同结构对光线调整的折射和反射效果,揭示蝴蝶翅膀鳞片反射隐身特性和成色机理【23】。2006年以来,在中国科学院化学所的宋延林研究员的课题组通过利用PolvfStPMNIAPAA做成模版,制备出了一种反蛋白石聚毗咯Ppy光子晶体,这种特殊光子晶体结构在光照的时候可以实验颜色不断变化的现象【241。根据这一现象的特点,该课题组进一步研究三维晶体能够呈色的特点并把它成功的应用于感应环境变化,这些课题取得了很大的进展和成功,通过不同的材料介质制备出三维胶体光子晶体凝胶口孓27J,此种光子晶体凝胶可以感应周围环境的湿度变化,通过显示不同的颜色来表明不同的湿度变化情况。从研究结构色到现在,关于结构色呈色机理的研究是取得了很大的进展,由于结构色能够实现呈色和隐身的特殊效果,这种微观结构得到了进一步的实际设计并且能够成功的制造,使得结构色应用在特殊功能材料的研究和应用越来越广泛。也使得科学家对此更加热衷的研究,不断的将FDTD理论应用在光栅结构呈色上,是一个新的开始也是很好的研究方向,这样的研究可以很好地说明光栅结构能够呈现特殊的结构色的特性【281。1.3研究目的、意义和研究内容l。3。1研究目的、意义为了研究结构色呈色的不同机理和周期性光栅微结构的反射光谱特性曲线特点,本课题是在研究多种电磁学理论研究的基础上,将FDTD时域有限差分法理论应用在光栅结构呈色上。进一步深入研究周期性光栅结构模型参数对呈色的影响及波峰值和位置的特点。这些内容为以后研究光栅结构呈色奠定了理论基础,可以设计出更多的能够呈色光栅微结构,并且期望能得到实际的应用。本课题通过研究光栅结构产万方数据生结构色机制的理论,可以为实际生产中制造不同于颜料的结构色材料提供理论依据。自然界中非常多的动物很多时候是利用自身颜色的变化来躲避敌人或者是来应对环境的氛围改变,这些生物界给人们的启示可以通过制造变色的材料应用于各行各业的,比如可以制造军事的隐身衣。此外还可以利用光栅结构色变色原理,通过颜色的显示来制造感应空气的湿度和氛围的改变的仪器。研究结构色的呈色机理启发仿生技术的进一步发展,给物理光学的研究提供了一个新方向【2 91,也为光变图像防伪,变光变色防伪和光栅结构色彩色图像的创建奠定基础。研究了各结构参数对光谱特性曲线反射率的影响,总结出结构参数和非结构参数对结构影响的规律。可以利用这些变化规律特点定量的调整结构色的实现,同时与理论的研究进一步的结合,有望可以实现周期性光栅结构呈现的不同结构色的控制。1.3.2主要研究内容本课题是在大量查阅相关国内外文献后,了解结构色呈色的多种机理,探究光栅再现结构色的原理,光栅结构是特殊的微观光学器件,研究这种特征结构在可见光范围内的反射和衍射的光学效应问题,利用电磁学方程去求解得到定量分析的数据【j,在本课题中所选择的研究方法是矢量衍射理论中的时域有限差分法。首先设计周期性的光栅结构模型,建模之后,改变结构模型中的各个参数变量对反射率波峰值的影响,进一步根据参数变化的规律设计出具有较高较纯波峰值的最优结构模型。之后利用FDTD计算优化结构模型,选择外界因素即非结构组成参数,改变这些参数的数值探索对颜色变化的规律。本文是基于特殊结构呈现结构色的机理,以FDTD Solutions和MATLAB为平台,通过FDTD原理设计建立了两种周期性光栅结构仿真模型,并对非对称的光栅结构模型进行优化,根据结果的变化的规律建立一个峰值高且颜色纯洁的简化优化结构模型,并对该结构进行研究,对光栅形成结构色的机理及其光谱特性进行探索,可以实现特殊的光栅再现结构色,同时改变不同的参数实现结构色的变色可控性。本文的主要研究的内容可概括如下1了解结构色的多层薄膜干涉、衍射光栅和光子晶体等多种呈色理论,分析自然结构形成结构色和变色的特点[3卜33】。选择以研究光栅为主的结构色理论,确立预选结构模型。设计多种模型进行反射率的计算,筛选出能够呈现色彩的模型,建立了两种不同的周期性光栅结构模型。2非对称模型结构的选定,设计并改变光栅结构各种相应的参数,进行光谱特性曲线分析。对结构的光学特性测试,研究并运用有限时域差分FDTD方法分析不同的参数对结构模型的结构色的影响规律,在matlab中进行光学特性反射率的计算,系统研究了各个参数对光谱特性曲线的波峰值的影响。3应用FDTD分析理论,对建立的周期性生结构在MArLAB进行光谱特性反射率的计算,并仿真不同环境影响因素和结构材料对非对称结构模型的影响,根据试验仿真数据和实验测量数据,设计得到波峰值高的最优结构模型。优化最优设计模型万方数据天津科技大学硕士学术论文的参数,进一步的提高光谱的波峰值,探究各个参数变化对光谱特性曲线的影响规律。4通过研究各个结构参数影响结构色的变化规律,得到了适合周期性光栅结构具备优良光学特性的尺寸参数,研究最优结构各个非结构参数对波峰值大小和位置的影响结果;同时研究了该最优结构模型的其他光学特性。1.4结构色呈色原理介绍1.4.1生物结构色的形成与应用色彩是人眼对光的一种不同的生理感觉,是通过光依赖于人眼视觉的形成的一种特殊的感觉属性13 4|。当光照入射到物体上,经过物体的反射或透射后进入人眼,这样便形成了光刺激即颜色。依据生物学家的研究表明,人眼所产生的视觉其实是由于光对大脑中的视觉神经刺激产生的。大脑、光照和观测物体是颜色知觉形成中的三个不可或缺的部分,只要改变其中的一个或者多个,就会使眼色的属性发生相应的改变12 9|。色素色的产生是一般的是能够产生包含基于光吸收和光散射,干涉,色散和衍射效应彩色颜料。颜料产生选择性吸收作用的结果;并通过散射,干涉,分散性和引起的结构或本研究的颜色的后半部分中产生的选择性反射彩色衍射也可以被称为化学色。从包含在活体的颜料色颜料,自然光照射在颜料,染料分子通过选择性吸收,反射和透射,特定波长的光的频率,其显示出不同的颜色,例如,叶在阳光照射呈现出绿色颜料吸收,区I为紫色的光芒。颜料色有非常明显的缺点是,颜料分子发生经过一段时问,并在空气中的某些化学成分的化合物的效果,可能会发生变色。这就如同印刷中的油墨成的颜色个道理。然而物理则与色素的作用是原理十分的不相同的,它是指光在生物体表面的微纳结构中经过一系列复杂的光学现象所形成的颜色,也称为结构色。具有结构色的生物,它的表面或表皮通常具有复杂的微观结构非常小规模的图案,通孔,柱,脊,颗粒剂,褶皱或薄,这些微观结构,以使光干涉,衍射或散射光学效应发生,最终形成我们所看见的颜色可变的结构色13 5。36】。在自然界晕,每一个生物都有和它周围环境相对应的色彩,这些色彩并非只是为了好看,很多时候是为了隐藏自己,捕捉食物的,也有的是为了来应变外界环境的变化。还有就是特殊的结构组成和一些生物有机体的颜色的性质有一定关系,很多学者开始研究自然干扰和可见光衍射的微观研究,从很久以前,人们已经观察到这种关系¨7|。随着技术的发展,最近几年对颜色的研究已经不仅仅局限在材料和光学方面,更多的是和生物学、物理学、化学、工程学等领域密切的联系在一起了。举个例子,为了研究蝴蝶鳞片的各种颜色,科学家研究了蝴蝶鳞片的结构组成,研究它的具体形态,同时进行光学研究,并发现这种结构可以有规律的反射、吸收、散射和漫射不同频率的光波。由于结构色具有了得天独厚的优点,加上色素色的明显缺陷,使得结构色的应用更加的受关注。如果将色素色和结构色巧妙的结合,可以实现一定的隐身效果,这将是新的研究方向。结构色的发现和研究应用是色彩的一大飞跃性的进步,对人类也具有重大的意义。具有结构色的结构是可以当作信息来传递一定的信息的;有些生物的微观结构在万方数据
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