基于MEMS技术的自适应光学微变形镜的设计与分析

摘要

大气湍流等动态干扰使光波面相位发生畸变,使光学系统的分辨率无法达到其衍射极限,而自适应光学系统使用变形镜对光波面进行动态相位调制,赋予了光学系统能动可变的能力而有效地解决了动态干扰的问题.使用MEMS技术制造的微变形镜由于其体积小,成本低,能耗低,响应快及集成度高等传统变形镜不具备的特点,成为变形镜发展的主流方向.该文对基于MEMS技术的微变形镜的基本理论,加工方法和分析方法作了研究.该文所设计的微变形镜的冲程约为0.7um,响应时间为2.26μs,拉入电压约为49V,谐振频率为81kHz,基本符合自适应光学系统的要求.最后,针对该文所设计的微变形镜在大规模阵列布线和拉入电压两个方面存在的问题,提出了进一步研究的建议.

目录

文摘

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第一章绪论

1.1自适应光学的发展历程与应用

1.1.1动态干扰——光学技术的老问题

1.1.2自适应光学技术使光学系统具有能动可变的能力

1.1.3自适应光学的应用

1.2微机电系统技术与自适应光学

1.2.1自适应光学系统的组成

1.2.2变形镜

1.2.3变形镜技术的现状

1.2.4微机电技术推动自适应光学技术的发展

1.3本文的研究内容

第二章微变形镜的理论研究

2.1引言

2.2近场(NEAR FIELD)衍射和远场(FAR FIELD)衍射

2.3衍射极限(DIFFRACTION LIMIT)

2.4自适应光学的性能指标

2.4.1斯特列尔比(Strehl Ratio)

2.4.2适配误差(FittingError)

2.5微变形镜的分类

2.5.1活塞驱动式

2.5.2扭转梁式

2.5.3悬臂梁式

2.6静电力驱动(ELECTROSTATIC ACTUATION)

2.6.1平板电容式(ParallelPlate)

2.6.2纵向梳齿式(Vertical Comb)

2.6.3平板电容式和纵向梳齿式驱动能力的比较

2.6.4数字微镜技术

2.7弹性梁理论(FLEXURE BEAM THEORY)

2.7.1 端端固定式(Fixed to Fixed)

2.7.2蟹臂式(Crab Leg)

2.8挤压薄膜阻尼(SQUEEZE FILM DAMPING)

2.8.1滑流效应(Slip Flow Effect)

2.8.2雷诺兹方程(Reynolds Equation)

2.8.3.穿孔(Perforation)对挤压薄膜阻尼的影响

本章小结

第三章微变形镜的加工工艺

3.1引言

3.2体加工(BULK MICROMACHING)

3.2.1湿法刻蚀(Wet Etching)

3.2.2干法刻蚀(Dry Etching)

3.3表面加工(SURFACE MICROMACHINING)

3.3.1 MUMPs 工艺

3.3.2 SUMMiT工艺

3.4体加工和表面加工微变形镜的比较

3.5微变形镜的结构设计与版图设计

本章小结

第四章微变形镜的分析

4.1引言

4.2静态分析(STATIC ANALYSIS)

4.2.1蟹臂梁弹性系数的计算

4.2.2静态响应曲线

4.3模态分析(MODALANALYSIS)

4.4瞬态分析(TRANSIENTANALYSIS)

4.5频率响应(FREQUENCY RESPONSE)

4.6远场光学特性

本章小结

结论与建议

结论

建议

研究生期间发表论文：

参考文献

致谢

附录

附录1：静态分析使用的MATLAB 和ANSYS程序

附录2：进行模态分析的ANSYS程序

附录3：瞬态分析使用的程序

附录4：频域分析使用的程序

附录5：远场光学特性使用的MATLAB 程序