發(fā)布時(shí)間：2016-05-31 05:55

第一章 緒 論

一般而言，自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)組成，即波前傳感器、波前控制器和波前校正器[2]。波前傳感器可實(shí)時(shí)探測(cè)入射光波前的相位差，采集到大氣擾動(dòng)的空間和時(shí)間信息。該信息經(jīng)過(guò)波前控制器運(yùn)算分析后，施加相應(yīng)的控制信號(hào)給波前校正器。波前校正器對(duì)入射波前的相位進(jìn)行校正，從而去除大氣湍流的影響，獲得接近衍射極限的圖像分辨率，改善天文望遠(yuǎn)系統(tǒng)的成像質(zhì)量。對(duì)于大型地基天文望遠(yuǎn)鏡這一應(yīng)用領(lǐng)域[3]，造成波前畸變的大氣擾動(dòng)的頻率要求自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)具有較快的響應(yīng)速度，而越來(lái)越大的天文望遠(yuǎn)鏡口徑則對(duì)波前校正器的驅(qū)動(dòng)單元數(shù)提出了更高的要求。除了天文觀測(cè)領(lǐng)域，視科學(xué)也是自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)應(yīng)用的一個(gè)活躍領(lǐng)域[4]。當(dāng)對(duì)活體人眼眼底視網(wǎng)膜進(jìn)行成像時(shí)，由于人眼這種特殊的光學(xué)系統(tǒng)所具有的動(dòng)態(tài)像差，嚴(yán)重干擾了檢測(cè)效果，因而可采用自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)校正活體人眼像差。根據(jù)人眼像差分布的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，此時(shí)的自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)需要具有較大的行程，而對(duì)單元數(shù)、反應(yīng)速度等則沒(méi)有太高的要求。更重要的是，視科學(xué)研究領(lǐng)域的自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)要求系統(tǒng)的小型化和低成本，這一問(wèn)題的關(guān)鍵是其中的波前校正器的小型化和低成本。除了以上兩個(gè)領(lǐng)域之外，自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)還可在自由空間光通信[5]、可控激光核聚變[6]和激光諧振腔[7-11]等領(lǐng)域發(fā)揮應(yīng)用，但目前均還處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，尚未實(shí)現(xiàn)商品化。
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第二章 靜電驅(qū)動(dòng) MEMS 變形鏡理論基礎(chǔ)

2.1 MEMS 靜電驅(qū)動(dòng)器

雖然非線性彈性梁方法可以有效的增大行程，然而一般常見(jiàn)的彈性梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在小撓度近似下都是線性的，因此目前設(shè)計(jì)人員多是采用多段具有不同彈性系數(shù)的線性彈性梁來(lái)共同擬合一個(gè)非線性彈性梁[67-70]。各種彈性結(jié)構(gòu)的大撓度變形雖然是非線性的，但一般很少應(yīng)用在實(shí)際設(shè)計(jì)中，這其中雙端固支梁的應(yīng)變硬化效應(yīng)是為數(shù)不多的已應(yīng)用于靜電驅(qū)動(dòng)器中的非線性彈性力的直接例子，后面將會(huì)對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。采用電極配置的方法增加行程，同樣也會(huì)增大最大電壓。雖然這種方法不會(huì)改變彈性力的大小，也就不會(huì)影響固有頻率和諧振頻率，但會(huì)改變響應(yīng)時(shí)間和工作帶寬。

2.2 變形鏡鏡面

變形鏡對(duì)畸變波前的擬合總是存在一定誤差的，當(dāng)不考慮單元數(shù)、行程等驅(qū)動(dòng)器因素時(shí)，鏡面對(duì)擬合誤差的影響主要由鏡面類型決定。根據(jù)第一章的介紹，變形鏡具有連續(xù)鏡面和分立鏡面兩大類型，其中分立鏡面又可分為分立式和分立傾斜式。對(duì)于連續(xù)鏡面，鏡面下方的支撐柱可有六邊形、方形和環(huán)形等三種排列方式。一般而言，六邊形排列的擬合誤差最小，環(huán)形排列在針對(duì)特定畸變波前時(shí)也可具有最小的擬合誤差，方形排列擬合誤差稍大。然而，在 MEMS 變形鏡的研制中，方形排列的結(jié)構(gòu)與加工工藝更加兼容，電極走線也比較簡(jiǎn)單，因而是最普遍采用的一種排列方式。

第三章 大行程靜電驅(qū)動(dòng)器的理論、模擬和測(cè)試.......33

3.1 六邊形固支梁驅(qū)動(dòng)器 .............. 33 
3.2 三層電極排布方式排斥驅(qū)動(dòng)器靜電力數(shù)值計(jì)算 ............... 37 
3.3 偽三層電極排布方式靜電排斥驅(qū)動(dòng)器 ......... 47
第四章 釋放孔對(duì)變形鏡各項(xiàng)性能的影響研究...........57
4.1 釋放孔對(duì)驅(qū)動(dòng)器動(dòng)態(tài)特性的影響 ............... 57 
4.2 釋放孔對(duì)連續(xù)鏡面的彎曲剛度的影響 ........................ 66 
4.3 本章小結(jié) ................ 75
第五章 140 單元實(shí)用化 MEMS 變形鏡及其關(guān)鍵技術(shù)研究 ..................76 
5.1 變形鏡結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ............ 76
5.2 表面面形的進(jìn)一步優(yōu)化 .......... 78 
5.3 140 單元變形鏡的封裝與測(cè)試 ..................... 92 
5.4 本章小結(jié) ......................... 95

第六章 MEMS 變形鏡其它若干問(wèn)題的優(yōu)化改進(jìn)措施的思考

6.1 可減少驅(qū)動(dòng)器數(shù)量的新型分立傾斜式變形鏡結(jié)構(gòu)

如第二章所述，與分立鏡面和連續(xù)鏡面相比，分立傾斜式變形鏡具有最小的擬合誤差以及最少的單元數(shù)，這都有利于其在自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)中的應(yīng)用。除此之外，分立的小鏡面單元還可以大大釋放并緩解 MEMS 加工中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。然而，正如前面所提到的，分立傾斜式的最大的問(wèn)題就是所需的驅(qū)動(dòng)器數(shù)量太多。圖 6-1 給出了幾種變形鏡的結(jié)構(gòu)示意圖，顯然，對(duì)相同單元數(shù)的變形鏡，分立傾斜式結(jié)構(gòu)至少需要分立鏡面和連續(xù)鏡面兩倍的驅(qū)動(dòng)器數(shù)量。事實(shí)情況還不止于此，這是因?yàn)閳D中只是一維示意圖，實(shí)際的兩維結(jié)構(gòu)每個(gè)單元至少需要三個(gè)驅(qū)動(dòng)器，總的驅(qū)動(dòng)器數(shù)量也就是分立鏡面或連續(xù)鏡面的三倍。為了解決這個(gè)問(wèn)題我們?cè)O(shè)計(jì)了一種新型分立傾斜式變形鏡，如圖 6-1(d)所示，每個(gè)鏡面單元下方對(duì)應(yīng)一個(gè)驅(qū)動(dòng)器，相鄰兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器之間共用一根彈性梁，，因而這種結(jié)構(gòu)可稱之為驅(qū)動(dòng)器連續(xù)式。若中間的驅(qū)動(dòng)器被加電吸引時(shí)，它所連接的彈性梁發(fā)生形變，帶動(dòng)相鄰的驅(qū)動(dòng)器發(fā)生傾斜，從而達(dá)到鏡面連續(xù)變形的效果。這種結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)分立傾斜式變形鏡相比，驅(qū)動(dòng)器數(shù)量大大減少。而且由圖 6-1(c)和(d)對(duì)比可以看出，這種設(shè)計(jì)下驅(qū)動(dòng)器下電極面積更大，因而相同電壓下驅(qū)動(dòng)力更高，可有效降低變形鏡的工作電壓。

6.2 靜電驅(qū)動(dòng) MEMS 變形鏡驅(qū)動(dòng)器的靜電擊穿及可靠性研究

靜電擊穿一般采用湯森雪崩模型解釋，擊穿電壓與電極間距以及環(huán)境壓強(qiáng)的關(guān)系可用著名的帕邢曲線描述[118]，如圖 6-5 中的實(shí)線所示。由曲線可知，擊穿電壓在某一電極間距時(shí)存在一個(gè)極小值，大約為 360V。因此，根據(jù)湯森雪崩模型，若電極間電壓低于 360V，不可能發(fā)生靜電擊穿。但事實(shí)上已有多篇文獻(xiàn)報(bào)道在低于這一電壓時(shí)發(fā)生了靜電擊穿[119, 120]，這可以用另一個(gè)靜電擊穿機(jī)制，即汽化電�。╲apor arc）來(lái)解釋：在一定的電極間距下，當(dāng)電勢(shì)差足夠高時(shí)，兩電極間由于場(chǎng)致電子發(fā)射導(dǎo)致的場(chǎng)發(fā)射電流密度較高，將會(huì)導(dǎo)致電極表面局部材料的汽化，形成導(dǎo)電通路，從而造成靜電擊穿。在汽化電弧機(jī)制下，擊穿電壓與電極間距的關(guān)系如圖 6-5 中的虛線所示。同時(shí)考慮汽化電弧和湯森雪崩兩條曲線，就可得到修正的帕邢曲線[121]，如圖 6-5 中的點(diǎn)線所示。該線中的拐點(diǎn)是汽化電弧和湯森雪崩兩種機(jī)制的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。由圖可見(jiàn)，當(dāng)電極間距處于幾個(gè)微米或者接近亞微米量級(jí)時(shí)，場(chǎng)致電子發(fā)射效應(yīng)導(dǎo)致的汽化電弧是造成靜電擊穿的主導(dǎo)因素，因此，場(chǎng)電子發(fā)射的機(jī)理與實(shí)驗(yàn)具有重要的研究意義。

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第七章 全文總結(jié)與展望

7.1 全文總結(jié)

本論文針對(duì)小型化自適應(yīng)光學(xué)波前校正器的應(yīng)用需求，對(duì)基于表面工藝靜電驅(qū)動(dòng)的 MEMS 變形鏡驅(qū)動(dòng)器、鏡面的若干關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行了深入研究，研制出了連續(xù)鏡面變形鏡樣品，并開(kāi)展了初步的像差校正實(shí)驗(yàn)，分析了樣品中存在的一系列問(wèn)題，提出了解決方案并開(kāi)展了理論和實(shí)驗(yàn)研究。主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)如下：a）提出了計(jì)算靜電驅(qū)動(dòng)器靜電力的 SC 變換數(shù)值計(jì)算方法。該方法從兩個(gè)方面改進(jìn)了現(xiàn)有的利用保角變換計(jì)算兩層排斥驅(qū)動(dòng)器靜電力的理論方法，一方面考慮了所有的結(jié)構(gòu)邊界幾何特性，去除了模型中的無(wú)窮遠(yuǎn)近似，提高了計(jì)算精度；另一方面通過(guò)數(shù)值計(jì)算擴(kuò)大了適用范圍，使之可應(yīng)用于任意靜電驅(qū)動(dòng)器的靜電力的計(jì)算。通過(guò)對(duì)多個(gè)靜電吸引和靜電排斥驅(qū)動(dòng)器的計(jì)算、仿真和實(shí)驗(yàn)研究，證明了這一方法的可行性和高精度。

7.2 后續(xù)工作展望

在本文工作的基礎(chǔ)上，當(dāng)前仍存在一些問(wèn)題需要在后續(xù)研究中加以解決。a）表面面形質(zhì)量、反射率等性能指標(biāo)仍有進(jìn)一步提高的空間，可通過(guò)對(duì)陰影掩模沉積工藝和復(fù)合膜層的材料及厚度進(jìn)行優(yōu)化來(lái)加以改進(jìn)。b）提高分立鏡面變形鏡填充比的兩套方案仍需進(jìn)一步開(kāi)展理論分析和實(shí)驗(yàn)對(duì)比驗(yàn)證，找出與當(dāng)前變形鏡的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工藝加工等最適合的方案。c）新型分立傾斜式變形鏡的優(yōu)越性和效果仍需進(jìn)行定量評(píng)估，以促進(jìn)其早日實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用。d）在當(dāng)前加工工藝的基礎(chǔ)上，通過(guò)各種后處理手段如陰影掩模沉積、倒裝芯片、退火、原子層沉積（Atom Layer Deposition，ALD）等，進(jìn)一步提高變形鏡的行程、一致性、可靠性、填充比、單元數(shù)等性能。e）以所研制的變形鏡開(kāi)展自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)校正實(shí)驗(yàn)，積極發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，探索MEMS 變形鏡在更多領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。

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參考文獻(xiàn)（略）

本文編號(hào)：52236