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| 自适应光学技术在天文观测、强激光、光束合成、激光通讯和医学检测等领域有着广泛的应用前景。变形镜作为自适应光学系统的核心部件,其微型化是自适应光学系统微型化和集成化的关键。本文系统的分析了各种微小型变形镜的特点和制造技术,并对双压电片变形镜和薄膜变形镜的性能进行了仿真。相比其他变形镜,采用微机电技术加工的变形镜具有体积小、能耗低、成本低、响应快以及可与微电路集成等特点,已成为变形镜技术研究的重要方向。针对微机电变形镜的加工,系统地介绍了常用的加工手段和所使用的各种材料特性,并分析了两种常用的标准化表面微加工技术的特点,考虑成本和研究周期等因素,本文选择Poly Multi User MEMS Processes (PolyMUMPs)技术作为微变形镜的加工工艺。本文以设计大冲程的微反射镜为主要研究目标,以标准化工艺PolyMUMPs的技术特点和设计规则为基础。根据变形镜的设计要求,分析了刻蚀孔、表面粗糙度、透印效应以及材料残余的应力对于反射镜面性能的影响,基于平行板驱动器模型分析了PolyMUMPs工艺对提高冲程的局限性,首次提出了两种可以实现大冲程驱动器结构,同时在工艺允许的范围内尽量满足降低控制电压和提高镜面光学质量的要求,对分立镜面的微机电变形镜的驱动方式、镜体结构设计方法、静电驱动器及微镜的建模仿真和微镜性能测试等方面进行了系统的研究。设计了两种大冲程的微反射镜结构——悬臂梁式微镜和杠杆式微镜。针对悬臂梁式微镜,通过有限元方法分析材料的残余应力对于镜体和悬臂梁的影响,提出了镜体镜体和悬臂梁的最优化设计参数,并利用解析方法求出悬臂梁的提升高度与有限元方法得到的结果进行了对比,同时对微镜的各项性能参数进行了仿真;针对杠杆式微镜,为了减小残余应力引起的镜面形变设计了边缘加固的镜体,采用版图平整化方法设计了特殊形状的杠杆驱动器,通过有限元模拟不同结构参数对杠杆提升高度和拉入电压的影响,得到了杠杆各部分的最优化设计参数。设计了一种多通道高压控制电路,并对电路的放大效果进行了测试。利用Polytec微系统分析仪、Wyko光学轮廓仪和伏安测量仪等仪器对加工得到的两种微镜进行了测试,得到的各种性能参数均与仿真结果比较接近,说明了采用PolyMUMPs工艺能够实现大冲程驱动器的设计,而工艺对镜面质量和填充率的限制,可以结合其他工艺来改善,为未来设计和开发高性能微机电变形镜提出了有益的建议。 |
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