微Schwarzschild物鏡的設(shè)計與MEMS制作研究.pdf

1、由兩個球面反射鏡組成的Schwarzschild系統(tǒng)具有無三階球差、慧差、像散,以及無色差的優(yōu)秀光學(xué)特性,廣泛應(yīng)用于天文觀測領(lǐng)域。利用近二十年發(fā)展起來的微光學(xué)領(lǐng)域的知識和MEMS工藝技術(shù),將具有百年歷史的Schwarzschild結(jié)構(gòu)微縮成微米尺度的微Schwarzschild物鏡系統(tǒng),就為這個古老的結(jié)構(gòu)賦予了新的生命力,使之適用于對物鏡的體積和重量有嚴(yán)格要求的各種應(yīng)用領(lǐng)域,如活體檢測、太空探測、數(shù)據(jù)讀寫和存儲,以及眾多手持式消費(fèi)電子產(chǎn)

2、品等。
　　本論文設(shè)計了適合于MEMS工藝制作的微Schwarzschild物鏡系統(tǒng)。通過探究大尺寸、小接觸角的微透鏡以及大尺寸球面微凹腔的設(shè)計與制作工藝,研究了系統(tǒng)主鏡和次鏡的制作方法。通過對不同系統(tǒng)集成方案的設(shè)計和制作研究,成功制備并測試了微Schwarzschild物鏡系統(tǒng)的原理樣鏡。主要研究內(nèi)容和成果綜述如下:
　　在微Schwarzschild物鏡系統(tǒng)的設(shè)計方面,首先通過對不同結(jié)構(gòu)的雙反射鏡系統(tǒng)的分析,提出了適合M

3、EMS工藝制作的雙反射鏡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。然后通過推導(dǎo)消像差的條件,得出了系統(tǒng)幾何參數(shù)應(yīng)滿足的比例關(guān)系。結(jié)合實際MEMS工藝條件的限制,提出了系統(tǒng)幾何參數(shù)的設(shè)計范圍,并提出了一組適合MEMS工藝制作的最佳系統(tǒng)參數(shù)。利用光線追跡軟件仿真了該系統(tǒng)的光學(xué)性能。驗證了其消球差、慧差和像散的特點(diǎn),并分析了系統(tǒng)參數(shù)的容差特性。
　　在主鏡的制作方面,首先介紹了制作微透鏡的不同方法。選擇了適合制作大尺寸、小接觸角微透鏡的丙酮蒸氣回流法作為主鏡微透鏡的制

4、作方法。然后從數(shù)學(xué)模型上推導(dǎo)了工藝參數(shù)和微透鏡冠高、曲率半徑的關(guān)系。采用不同型號,不同厚度的光刻膠,制作了底面直徑范圍為80~1000μm,冠高范圍約為10~120μm的微透鏡。探索了采用丙酮蒸氣回流法制作微透鏡的實驗規(guī)律,并將實驗值與理論模型結(jié)果進(jìn)行了對比。通過對鋁膜反射膜厚度的討論和鍍膜方式的分析,在微透鏡表面鍍制了一層反射膜將微透鏡轉(zhuǎn)變?yōu)榍蛎娣瓷溏R,完成了主鏡的制作。
　　在次鏡的制作方面,結(jié)合Kuiken提出的擴(kuò)散受限各向

5、同性腐蝕的數(shù)學(xué)模型,研究了攪拌方式、腐蝕時間、腐蝕窗口大小等參數(shù)對腐蝕速度和腐蝕腔形貌的影響。重點(diǎn)分析了實驗結(jié)果中出現(xiàn)的非球面腐蝕腔,即腐蝕過程中發(fā)生的各向異性情況。將實驗結(jié)果與Kuiken模型提出的兩個腐蝕時間域的理論進(jìn)行了對比,提出了制作大尺寸球面微凹腔的最佳工藝參數(shù)范圍。并成功制備了滿足設(shè)計指標(biāo)的次鏡。
　　在集成方面,針對主鏡的集成方法提出了兩套懸臂設(shè)計方案。采用有限元方法分析了懸臂應(yīng)力分布情況。采用MEMS工藝技術(shù)制作了

6、主鏡周圍的懸臂;采用激光定位打孔技術(shù)制作了墊片和次鏡中心的通光孔;采用中間層鍵合的方法完成了主鏡和次鏡的對準(zhǔn)鍵合,成功制作了微Schwarzschild物鏡系統(tǒng)的原理樣件。
　　在測試方面,搭建了用于測試原理樣件光學(xué)性能的顯微鏡系統(tǒng)實驗平臺。實驗測試了不同像面位置的光斑形狀,從而得出了樣品的工作距和數(shù)值孔徑等光學(xué)參數(shù)。并與仿真值、設(shè)計值進(jìn)行了對比。采用不同波長的色光作為光源,對系統(tǒng)進(jìn)行了色差測試。測試結(jié)果驗證了微Schwarzsc