微小光学与微观电磁学论眼

Microoptics & micro theory of electromagnetism  reveal the mystery of eye

              ------多学科交叉揭示眼之谜（2）

                     都世民

                         （Du Shimin)

摘要：本文从微小光学学科和微观电磁学視角探讨视感系统之谜。这两个学科都是基于电磁理论,研究眼的结构和工作机理，这与医学、生物学给出的眼的解读是不同的。                          

                         引言

多学科交叉揭示视感之谜，从时间看，2500年前佛学、道学、中医都有论述。而现代科技则是近100多年的事。无论那个学科，都是将光与眼紧密联系在一起。1854年，麦克斯韦还是年青时代，就开始研究人眼和动物眼睛，发表了鱼眼透镜的论文，提岀了变折射率的概念。麦克斯韦想弄清动物眼的色感之谜。

奇怪的是近代医学、生物学和物理学等学科在论述眼结构和工作机理时，都不涉及微小光学和微观电磁学研究的相关内容。而麦克斯韦先生也没有给出人眼的色感机理，更没有弄清人眼的搜索、跟踪和识别的工作机理。

如今在百度网和道客巴巴网文庫中搜索与眼相关的论述，都认为眼是宏观成像装置。在生物学未探明视网膜结构之前，都是以宏观光学视角给出的成像原理。而微观电磁性是因为无需求，无学者关注的原因，使很多人不知道新的学科---微小光学已经诞生了。

                        微小光学

1）从制作工艺和光学元件尺度来看光学的发展，光学可以分成宏观光学、微小光学和纳米光学三个发展阶段。

2）微小光学是微米尺度范畴内的光学。

它研究的是微米尺度光学元件的光学微加工工艺及光信息在这类光学元件中传播、变换、成像的物理机理和应用的前沿学科。微小光学的产生是受科学技术信息化和智能化的推动，微小光学的发展反过来又大大促进科学技术信息化和智能化的发展。

3）微小光学是重要前沿学科

微小光学是研究微米、亚微米尺度内光与物质的相互作用和光学元件（包括光源、光纤、波导、折射和衍射型微透镜、微棱镜等）的光学微加工技术及利用该元件实现光信息的发射、耦合、传输、变换、分光、成像和图像处理等功能的理论和技术，是光学的新发展、光学与微电子和微机械相互融合、渗透、交叉形成的有广阔应用前景的重要前沿学科。

在20世纪中叶，人们把研究微弱光信号的增强、显示、变换的学科称为“微光学”或“微光夜视”。因此，该领域不能称为“微光学”，而称为“微小光学”。

4）微小光学的研究具体内容

(1)折射型微透镜及阵列

主要包括各种微米尺度(几微米至1mm)的折射型微透镜及透镜阵列、微反射镜、微棱镜、波导光栅等。

(2))衍射光学元件

它是利用光衍射效应的复合成像理论，通过光学微加工技术制作的表面微结构，形成具有高衍射效率的光学元件。

(3))光学微加工工艺

是制作微米尺度光学元件的光学加工技术和方法，主要有微光刻、离子束刻蚀、微图形产生激光束直写、光刻热熔和光刻离子交换等。

(4)微小光学元件

主要有光学性能的测试技术。

(5))微小光学功能材料。

制作微小光学元件的基底材料，晶片和光电元件混合集成的基底材料，包括特种玻璃、有机硅、半导体材料、特种聚合物、光波导材料和封装材料等。

(6))微小光学元件的二维和三维集成技术

主要是微小光学系统的结构设计理论和集成技术，微小光学元件的耦合、对准、传输、变换技术集成器件的装配封装技术，这是微小光学元件本身的集成技术。主要是微小光学系统的结构设计理论和集成技术，微小光学元件的耦合、对准、传输、变换技术及集成器件的装配封装技术，这是微小光学元件本身的集成技术。在此基础上，进一步再实现微小光学元件与微机械元件、微电子元件的集成，构成微光机电一体化的微系统。

                    微小光学与眼的关联

1974 年，我国龚袒同教授提出变折射率概念。变折射率介质的折射率不是常数，而是按一定规律变化的。因此，变折射率介质是一种非均匀介质，也有人称为祶度折射率介质或渐变折射率介质。

常见的变折射率介质有3.类：

第一类是轴向变折射率介质，其折射率沿光轴方向连续变化，等折射率面是与光轴垂直的平面；

第二类是径向变折射率介质，其折射率从光轴到周边沿横向连续变化，等折射率面是围绕光轴的同心圆柱面，在特定条件下），如果折射率随横向距离的变化满足抛物线规律，这种变折射率介质就是自聚焦(selfoc)介质；

第三类是球向变折射率介质，其折射率分布是以某一定点为中心,沿径向连续变化，其等折射率面是以这一定点为中心的同心球面。

在自然界中，变折射率介质是普遍存在的。例如，人眼的水晶体和地球的大气层就是一种典型的变折射率介质。天文折射就是这样一个很早就被人们观察到的变折射率问题。对它的研究，早在公元 100 年就开始了。此外，人们熟知的“海市蜃楼”奇景，也是由于大气层折射率的局部变化，对地面景色产生折射，出现的一种奇特现象。

微小光学专家明确指出：人眼的水晶体是一种典型的变折射率介质。并指出微小光学应与生物学交叉结合。该如何结合呢？

1）利用微小光学已有的理论和加工技术，搞清楚人眼水晶体的变折射率类型；

2）仿制人眼水晶体并进行相关试验验证。现有的变折射率透镜是采用聚合物加工，与人眼材料属性不相吻合，需要研究人眼晶体材料属性和生物特征；

3）进行成像特性研究；

4）微小光学专家认为人眼是成像装置，与过去传统解读不同的是，这里的成像多了变折射率透镜的引入。

5）如果这项工作完成，能否验证人眼色感功能和人眼的搜索、跟踪、识别功能。

6）微小光学专家介入这项研究，不一定了解视网膜结构，在这里变成多学科汇集点，也是难点。其上视细胞尺寸是微米尺度，细胞间距是纳米尺度，工作波长也是纳米尺度，使问题复杂化。

                  尺度效应带来的特殊问题

目前，将微小光学元件与微电子、微机械元件组合成真正意义上的微光机电系统(micro-opto-electro-mechanical-system，MOEMS）还有很大困难。其原因主要是，人们对微观条件下MOEMS 器件的运动规律、物理特性和受载之下的力学行为还缺乏充分认识。MOEMS 元件及其间隔的尺寸处于微米量级，表现出显著的尺度效应。

在微米尺度空间，许多宏观状态下的物理量都发生变化，呈现出微观尺度下的特殊规律和尺寸效应。所谓尺度效应指的是，当物体的尺寸L 改变时，不少物理量随L变化的现象。当系统尺寸减少到微米量级时，与尺寸L的高次方成比例的惯性力(L4次方)、电磁力(L3次方)等的作用弱化，而与尺寸的低次方成比例的黏性力 (L平方)、弹性力(L平方)、表面张力(L1次方)、静电力(L零次方)等的作用相对强化。同时，表面积(L平方)与体积(L3次方)的比例增大，热传导、化学反应显著加快，表面摩擦力也明显增加。

从光学尺度效应来说，当光学元件尺寸只有几微米，元件的尺寸与光波长同数量级，光在光学元件孔径上发生衍射，并对光学元件的性能产生明显影响，最明显的影响是透镜孔径的衍射将使焦点变模糊。

对人眼而言，情况更复杂。工作波长是纳米级，视细胞是微米级，视细胞间距是纳米级，视细胞内部结构又是纳米级。单纯靠微小光学已无法解决人眼问题，涉及到纳米光学。

不难看出在眼的研究中，如果对視网膜不细化其结构，微小光学就可以解决上述问题。但考虑视网膜上有上亿的视细胞和视色素等生物特征，再考虑到电磁理论作用于微观、纳观层面的不同影响，分析计算工作和仿制变得异常困难。因为现有电磁理论的著作和期刋难见到这方面研究。这些工作等待我们去开发。

参考文献

[1]刘德森等著，微小光学与微透镜阵列，—北京：科学出版社，2013，2013年4月第  一  版。

[2] Sinzingers,Jahn,J. Microoptics. 2nd ed,d. Weinheim:Wiley-Vch,2003.