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微Schwarzschild物镜的设计与MEMS制作研究

周一帆  
【摘要】:由两个球面反射镜组成的Schwarzschild系统具有无三阶球差、慧差、像散,以及无色差的优秀光学特性,广泛应用于天文观测领域。利用近二十年发展起来的微光学领域的知识和MEMS工艺技术,将具有百年历史的Schwarzschild结构微缩成微米尺度的微Schwarzschild物镜系统,就为这个古老的结构赋予了新的生命力,使之适用于对物镜的体积和重量有严格要求的各种应用领域,如活体检测、太空探测、数据读写和存储,以及众多手持式消费电子产品等。 本论文设计了适合于MEMS工艺制作的微Schwarzschild物镜系统。通过探究大尺寸、小接触角的微透镜以及大尺寸球面微凹腔的设计与制作工艺,研究了系统主镜和次镜的制作方法。通过对不同系统集成方案的设计和制作研究,成功制备并测试了微Schwarzschild物镜系统的原理样镜。主要研究内容和成果综述如下: 在微Schwarzschild物镜系统的设计方面,首先通过对不同结构的双反射镜系统的分析,提出了适合MEMS工艺制作的双反射镜系统结构。然后通过推导消像差的条件,得出了系统几何参数应满足的比例关系。结合实际MEMS工艺条件的限制,提出了系统几何参数的设计范围,并提出了一组适合MEMS工艺制作的最佳系统参数。利用光线追迹软件仿真了该系统的光学性能。验证了其消球差、慧差和像散的特点,并分析了系统参数的容差特性。 在主镜的制作方面,首先介绍了制作微透镜的不同方法。选择了适合制作大尺寸、小接触角微透镜的丙酮蒸气回流法作为主镜微透镜的制作方法。然后从数学模型上推导了工艺参数和微透镜冠高、曲率半径的关系。采用不同型号,不同厚度的光刻胶,制作了底面直径范围为80~1000μm,冠高范围约为10~120μm的微透镜。探索了采用丙酮蒸气回流法制作微透镜的实验规律,并将实验值与理论模型结果进行了对比。通过对铝膜反射膜厚度的讨论和镀膜方式的分析,在微透镜表面镀制了一层反射膜将微透镜转变为球面反射镜,完成了主镜的制作。 在次镜的制作方面,结合Kuiken提出的扩散受限各向同性腐蚀的数学模型,研究了搅拌方式、腐蚀时间、腐蚀窗口大小等参数对腐蚀速度和腐蚀腔形貌的影响。重点分析了实验结果中出现的非球面腐蚀腔,即腐蚀过程中发生的各向异性情况。将实验结果与Kuiken模型提出的两个腐蚀时间域的理论进行了对比,提出了制作大尺寸球面微凹腔的最佳工艺参数范围。并成功制备了满足设计指标的次镜。 在集成方面,针对主镜的集成方法提出了两套悬臂设计方案。采用有限元方法分析了悬臂应力分布情况。采用MEMS工艺技术制作了主镜周围的悬臂;采用激光定位打孔技术制作了垫片和次镜中心的通光孔;采用中间层键合的方法完成了主镜和次镜的对准键合,成功制作了微Schwarzschild物镜系统的原理样件。 在测试方面,搭建了用于测试原理样件光学性能的显微镜系统实验平台。实验测试了不同像面位置的光斑形状,从而得出了样品的工作距和数值孔径等光学参数。并与仿真值、设计值进行了对比。采用不同波长的色光作为光源,对系统进行了色差测试。测试结果验证了微Schwarzschild物镜系统无色差的特性。 最后针对工艺参数的改进方法,提出了未来工作的方向。


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