Research and development of VUV optical coatings for micro mirror applications

This paper deals with vacuum UV optical coatings for micro mirror applications. High reflecting low-stress optical coatings have been developed for the next-generation of micro mechanical mirrors. The optimized metal systems are applicable in the VUV spectral region and can be integrated in the technology of MOEMS, such as spatial light modulators (SLM) and micro scanning mirrors.

Maskless Microscopic Lithography through Shaping Ultraviolet Laser with Digital Micro-mirror Device

Laser shaping was introduced to maskless projection soft lithography by using digital micro-mirror device (DMD). The predesigned intensity pattern was imprinted onto the DMD and the input laser beam with a Gaussian or quasi-Gaussian distribution will carry the pattern on DMD to etch the resin. It provides a method of precise control of laser beam shapes and?photon-induced curing behavior of resin. This technology provides an accurate micro-fabrication of microstructures used for micro-systems. As a virtual mask generator and a binary-amplitude spatial light modulator, DMD is equivalent to the masks in the conventional exposure system. As the virtual masks and shaped laser beam can be achieved flexibly, it is a good method of precision soft lithography for 2D/3D microstructures.

星载迈克尔逊干涉仪扫描角镜装调工艺研究

针对星载迈克尔逊干涉仪悬臂式扫描角镜组件装调维度多、装调精度高、检测困难等技术难点,提出了一种“向量解析+精密微动调整”方法,通过建立装调及检测基准、将角镜组件简化为空间点向量、采用“先法向后平面”的调整顺序、利用专用精密微动装置等措施,实现了空间多自由度角镜组件的高精度调整,角镜顶点位置对称度装调后达到8μm,优于0.01 mm的设计指标要求,有效提高了装调精度,缩短了装调周期。

紧凑型红外模拟器的光机系统设计

为满足红外成像器的仿真需求,避免目前红外模拟器的光学系统因采用TIR棱镜和离轴抛物面镜进行分光造成的体积过大、能量利用率低、照明不均匀的问题,设计了二次成像的远心光路投影系统和黑体组合反射镜的临界照明系统,有效地压缩了系统的整体尺寸,提高了系统的均匀性。采用ZEMAX进行光路分析,设计结果表明,投影系统在36 lp/mm处MTF优于0.5、波像差小于0.076 7λ、畸变小于1%,照明系统的均匀性大于98%;采用ANSYS进行力学分析,表明一阶模态频率为212 Hz,最大应力满足要求。红外模拟器尺寸小于400 mm×300 mm×400 mm,将红外模拟器与红外成像器进行对接模拟测试,验证了系统可在中波波段提供稳定的红外动态场景模拟。

一种基于集成扫描光栅微镜和改进型非对称式C-T结构的微型近红外光谱仪

近红外光谱分析技术在航空航天、生物医药、环境检测、食品安全等众多领域均有广泛应用。高性能、微型化、低成本近红外光谱仪是制约基于近红外连续光谱分析的微小型检测装备发展的主要瓶颈,是当前光谱仪发展的主要研究方向。提出了一种基于微光机电系统(Micro-optical electro-mechanical system,MOEMS)集成扫描光栅微镜和改进型非对称式切尼-特纳(Czerny-Turner,C-T)光学结构的微型近红外光谱仪系统结构,分析了光谱仪系统和集成扫描光栅微镜的工作原理,基于光栅相关参数和光谱仪性能指标要求确定了集成扫描光栅微镜最大扫描角度。分析了改进型非对称式C-T初始光学结构像差,基于ZEMAX光学设计平台完成了光谱仪光学系统的仿真和优化设计,确定了系统关键参数。仿真分析了平凸柱面透镜对改进型非对称式C-T光学结构系统分辨率、检测灵敏度等性能参数的影响。基于仿真优化结果,完成了微型近红外光谱仪机械结构设计、加工与装调,搭建实验平台完成了光谱仪相关性能参数测试。结果表明,设计的基于MOEMS集成扫描光栅微镜和改进型非对称式C-T光学结构的微型近红外光谱仪,采用重庆大学自主研发的谐振频率为677.1 Hz的MOEMS集成扫描光栅微镜来实现同步扫描和分光,0.8 ms时间内即可完成一次波长范围800~1800 nm的光谱测量,光谱准确性与国外品牌光谱仪比较无明显差异,光谱整体分辨率半峰全宽(FWHM)≤11 nm,波长稳定性≤±1 nm;基于平凸柱面透镜的光学结构设计可将探测输出光强值提高15%以上,可有效提高光谱测量的灵敏度;同时,经过平凸透镜二次聚焦后的光斑尺寸更小,可选用感光面积小、截至频率大的单管探测器实现光谱探测,可降低系统成本、抑制外部光噪声,满足扫描频率较高的扫描光栅式光谱仪的光谱分辨率需求。因此,提出的基于MOEMS集成扫描光栅微镜和改进型非对称式C-T结构的近红外光谱仪满足高性能、微型化和低成本的光谱仪发展需求。

卫星激光通信MEMS快速反射镜可靠性研究进展

快速反射镜(Fast Steering Mirror,FSM)具有响应快、精度高、分辨率高等优势,被广泛应用于卫星激光通信、超分辨率成像、高精度激光瞄准等领域,是捕获、跟踪和瞄准(Acquisition Tracking and Pointing,ATP)系统中的核心部件。传统快反镜主要由压电陶瓷和音圈电机驱动,而基于微机电(Micro Electro Mechanical System,MEMS)技术制备的快反镜具有小型化及批量化等优势,是技术发展的趋势,但其应用于卫星激光通信领域的可靠性尚未进行全面论证。文中介绍了快反镜的工作原理、环境适应性要求以及国内外快反镜的可靠性水平,结合致动原理和结构分析了现有快反镜的失效机理、评估方法和可靠性加固技术,最后指出了高可靠性快反镜的结构和加固技术发展方向,并通过综合分析与仿真验证了MEMS快反镜应用于卫星激光通信的可行性。

应用于激光微显示中高速扫描的压电MEMS微镜

设计并制作了一款直径为1.1 mm、频率为31.11 kHz的MEMS压电微镜,用于需要高速扫描且小尺寸的应用场景。该器件所需模态为扭转模态,与其他模态分离情况好,不会出现耦合。实验结果显示,电压为32 V时光学扫描角40.66°,品质因子1155。改变PZT极性,实验得到了薄膜材料的铁电性质影响。另外,完成了MEMS微镜在0℃~100℃不同温度下角度的变化实验,偏离不超过±1°。仿真模拟、实验结果和理论计算结果三者拟合情况好,表明该设计的微镜具有较高的可控性和稳定性,为实现高精度扫描提供了有力支持。该MEMS压电微镜在AR/VR等领域中具有潜在的应用前景。

采用数值仿真实验的“透光”镜制造原理

对“透光”镜造型进行检测分析,探明“透光”现象的关键原因为镜面整体上凸,镜面存在微观结构.对镜体材质、铸造残余应力、研磨量和研磨方式等关键因素进行分析,逐步探明制镜工艺特点.以ABAQUS软件为平台,通过数值仿真实验分析镜面研磨过程中残余应力引起的镜体变形效果.仿真结果表明:随着“透光”镜的镜面研磨去除量和去除曲率逐渐增大,镜面微观结构的高度差将逐渐增大,形貌特征将更加明显;在平面研磨过程中,随着镜体刚度逐渐下降,铸造残余应力克服镜体刚度使镜面产生拱起变形和应变差异;在曲面精磨过程中,随着镜面弯曲曲率的增大,镜体内部残余应力更易释放,镜面上的微观结构也更加明显,最终形成镜面“透光”现象.

基于微辐射阵列的红外动态场景模拟器

为满足红外成像器件对目标模拟的需求,同时避免在真实环境下进行系统测试受限于人力、物力、环境等因素,提出了一种基于微辐射阵列的红外动态场景模拟技术,通过传热方程建立了芯片理论模型,并进行了仿真实验。微辐射阵列芯片采用MEMS (Micro-Electro-Mechanical System)工艺加工,阵列分辨率为1 024×768,像素大小设计为60μm×60μm,以此为核心器件,构建了红外动态场景模拟系统样机,样机口径大于300 mm,光源使用半导体激光器替代传统的汞灯,提高了模拟器的性能。使用红外热像仪进行了测试实验,结果表明:样机可在中波红外和长波红外两个波段实现高质量的动态场景模拟,图像清晰无闪烁,其模拟温差大于50 K,对比度大于3∶1,帧频大于80 Hz。

一种可控大角度偏转的MEMS微镜仿真设计

论文针对现有的MEMS微镜偏转力小、变形位移小、偏转角度小、角度偏转以及镜面偏转时会发生镜面卷曲等问题,设计出了一种新型结构的电热式MEMS微镜。论文中的MEMS微镜不仅更符合加工工艺的需求,并且偏转角度大、位移大、一定程度上偏转角度可控,并且不会产生电热式MEMS微镜在热膨胀效应的作用下镜面卷曲问题。通过对驱动原理的分析不仅得到了角度的关系量,而且通过仿真软件的模拟也最终得到了符合要求的结构。

劳埃德式紫外激光干涉光刻实验

搭建了劳埃德式紫外激光干涉光刻系统,利用劳埃德镜产生双光束分波阵面干涉,通过精确调整、控制光束的入射角,设计了曝光图样.基础实验部分可以完成一维光栅制备,分析光栅周期与波长、入射角的关系;在拓展实验中,制备设计部分可以完成二维点阵或准晶结构制备,前沿拓展部分可以制备表面等离极化激元微腔.基于劳埃德式激光干涉光刻实验操作便捷、展示度高,同时涵盖光干涉原理的介绍和光路调整、样品制备和表征等实验内容,有助于学生掌握激光干涉光刻的实验技能.

基于微机电系统振镜的多频相移正弦结构光系统相位展开误差分析

随着增强现实和虚拟现实技术的发展,以及元宇宙概念的兴起,三维重建技术作为重要的内容获取手段得到了广泛的应用。其中,结构光重建技术以其高精度且不受物体表面材质纹理影响的特点,得到了研究者的重点关注。传统的结构光三维重建主要使用基于数字光处理的投影仪来投影编码图案,然而,数字光处理投影仪存在尺寸大、功率高、价格昂贵等缺点,限制了其在众多应用中的便利性。因此,微机电系统振镜因其体积小、成本低、帧率高等特点,在越来越多的三维扫描系统中,被考虑作为投影仪投影编码结构光。但限于只能投影单向条纹图案和存在红外激光器散斑效应带来的噪声的缺点,传统的基于三角测量方法并不适用。因此,该文采用相位-高度模型,搭建了基于微机电系统振镜的三维扫描系统。针对散斑效应引起的噪声,本文通过实验对比了基于微机电系统振镜常用的3种时间相位解包裹算法的抗噪性能。结果表明,多频层级法和负指数拟合法的抗噪性能较好,精度较高,而多频外差法的抗噪性能较差。该研究结果可为研究人员选择解相方法提供参考。

基于数字微镜的旋转体三维显示装置研究

体三维显示是实现真正三维立体图像显示的新技术。首次提出了一种基于数字微镜的旋转体三维显示方案,利用人眼视觉暂留的特性,设计完成了一套空间三维显示装置,通过数字微镜设备快速投影一系列连续的二维图像序列,由旋转运动的成像靶屏截获图像流信息,形成了具有空间真实体积的三维立体图像。简要介绍了系统的显示原理及组成,重点阐述显示装置的设计,详细研究了数字微镜的接口能力以及对系统显示性能的影响,实验证明与基于矢量扫描振镜方式相比,基于数字微镜的三维显示装置已完全具备了在真实空间实现复杂三维图像显示的能力,并通过对成像结果的分析给出了进一步提高改进的相应措施。

基于数字光处理技术的小型星模拟器设计

提出了基于数字光处理（DLP）技术的星模拟器系统的技术方案。根据星模拟器技术指标，确定了总体光学结构；在确定数字微镜元件（DMD）芯片规格的基础上，计算出星模拟器光学系统的焦距、单星张角、相对孔径等光学系统参数；最后，介绍了星图模拟软件的设计方法。计算及模拟结果表明，设计的小型星模拟器实现了星图视场为10．5°×7．5°，模拟星等为2．0～8．0等星，单星张角优于40″；将采样周期控制在毫秒量级，能为星敏感器提供任一时刻、任一惯性坐标系下指向的模拟星图，可满足航天工程中对小型星模拟器的动态性、大视场、宽星等范围、短采样周期等需求。

消热差的红外目标模拟器投影光学系统设计

基于数字微镜器件(DMD),创新性地设计了一个长出瞳距、大出瞳口径、消热差的红外目标模拟器投影光学系统。该光学系统的出瞳距为1 000 mm,出瞳口径为120 mm,畸变小于1%.为了模拟-40℃目标,整个系统需工作在制冷环境中,因此对光学系统进行了无热化设计。投影物镜的设计采用了3种材料和4片透镜,在-40℃～20℃的范围内,系统最大离焦量小于系统焦深。分析表明,系统各视场调制传递函数(MTF)在16 lp/mm处均优于0.4,弥散班也小于DMD微反射镜的尺寸,畸变小于1%.在满足长出瞳距的同时具有良好的热稳定性。

基于微电子机械系统的光学电流传感器原理与设计

光学电流传感器解决了传统电流互感器的缺点,但仍然存在生产困难、性能易受环境温度影响等不足,MEMS作为一种新兴技术,可批量生产各种性能良好的微电子器件,该文提出了将MEMS技术用于检测高压交流电的光学电流传感器。高压侧的传感装置由Rogowski线圈、MEMS扭转微镜和双光纤准直器组成。文中介绍了器件的高压侧敏感原理和光学检出原理,给出了器件的结构参数条件、模态分析和温度补偿结果,并利用ANSYS与Matlab软件对器件的性能进行了仿真模拟和分析。理论结果表明：温度补偿后,温度变化±50K时测试误差为0．2%,400A、2000A电流下的灵敏度分别为0．001dB/A与0．09dB/A,说明了基于MEMS技术的光学电流传感器具有一定的研究价值。

MOEMS陀螺的谐振腔设计

微光机电(MOEMS)陀螺代表着微型光学陀螺的重要发展方向,而MOEMS谐振腔的设计是谐振式MOEMS陀螺的核心技术.提出了一种新颖的基于微纳米加工技术的MOEMS空间谐振腔结构,介绍了其工作原理和系统构成.建立了谐振腔的数学模型,并利用MATLAB软件对其重要参数进行了仿真计算及分析.为提高谐振腔清晰度及系统测量精度,优化了谐振腔输入输出镜的技术指标,并在此基础上完成了谐振腔的微加工工艺设计.结果表明:所设计的谐振腔清晰度可以达到346,陀螺极限灵敏度为0.25(°)/h,同时可以有效克服克尔效应、背向散射、偏振等光路噪声的影响.

空间激光通信组网光端机技术研究

随着高分辨率观测技术的发展和高数据率信息传输的迫切需求,研究高速率激光通信的全光网络迫在眉睫。文章介绍了空间激光通信技术的优点及发展趋势,提出了可用于激光通信组网的几种光端机光学原理及系统方案,分析了多反射镜拼接形式光端机的APT控制模型,为空间激光通信链路组网提供了新的技术途径。

利用(110)硅片制作体硅微光开关的工艺研究

采用基于湿法腐蚀工艺的体硅微机械加工方法,利用(110)硅片结晶学特性,通过光刻、反应离子刻蚀和湿法刻蚀等工艺,在硅片上同时制作出微光开关的微反射镜结构、悬臂梁结构、扭臂梁结构和光纤定位槽结构,器件的一致性好,制作工艺简单.利用扇形定位区域,精确地沿(110)硅片的{111}面进行定向腐蚀,可使微反射镜镜面垂直度达到90±0.3°,经测量表面粗糙度低于6 nm.

数字微镜近红外光谱仪光学系统设计与实验(英文)

针对传统光谱仪体积大、成本高、检测速度慢、需样品前处理等不足,提出了利用数字微镜面阵(DMD)实现光谱谱面分割分时选通的近红外光谱仪光学系统.首先,对比传统光路介绍单探测器微型光谱仪系统测量原理;然后结合DMD特性提出光路方案,根据几何光学原理进行初步光学元件选型和光路结构设计,利用ZEMAX光学软件对光路进行仿真,确定结构参数;最后,搭建实验平台,进行光路测试.实验结果表明:该系统光路尺寸为70mm×130mm,测量波段为(900～1 500nm),分辨率可达19nm;在能量损失较小的情况下,减小狭缝尺寸可提高光学分辨率,狭缝的极限尺寸为200μm;减小狭缝子午面高度可减小谱面内弯曲现象.本系统基本满足近红外分光,实现单点探测器光谱测量的要求.