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变栅距光栅透镜的设计与制作工艺研究

作　者: 黎华
导　师: 杜如虚; 林慧
学　校:
专　业: 计算机应用技术
关键词: 微型光谱仪 MOEMS 变栅距光栅透镜消像差热熔法紫外光刻
分类号: TH744.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

微型光谱仪具有体积小、便于携带、使用简便等优点，在许多领域都具有广阔的应用前景，例如药物生产的实时监控与食品质量的快速分析等。因此，微型光谱仪的研究具有重大的意义。变栅距光栅透镜是透射式微型光谱仪中的核心元件，可以集成传统光路结构中的准直、色散和聚焦三项功能，有效减小光谱仪的体积尺寸。变栅距光栅透镜的特点在于将变栅距光栅直接制作在透镜曲面上，透镜曲面的聚焦效果与变栅距光栅的消像差效果相结合，有望可以在厘米级光路尺寸范围内实现良好的光谱分辨效果，而目前MOEMS技术的发展为变栅距光栅透镜的制作提供了可能。本课题主要围绕变栅距光栅的优化设计和制作工艺两个方面进行研究。变栅距光栅的优化设计分三步：首先本课题以MOEMS工艺技术为前提，构建出变栅距光栅透镜的设计模型，提出模型的简化依据以及符号约定。然后参考“最小波长变化”原理推导变栅距光栅透镜的光程差函数，并以此作为消像差优化设计中的像差评价函数。接着将像差评价函数展开成级数形式，每一项级数的系数对应于一种像差类型的大小与坐标变化的比例关系。这一方法用MATLAB编程实现。根据算例，尽管是变栅距光栅，但栅线的变化幅度非常平缓。然后在专用软件ZEMAX中对消像差优化结果进行仿真，对单波长的优化方法和多波长的优化方法进行了比较，观察到多波长的优化方法可以在450nm至650nm的波段内获得比较均匀的光谱仪分辨率，最佳分辨率为0.2nm，最差的分辨率在0.8nm以内，达到设计要求。光栅透镜的制作工艺采用光刻胶热熔法。本课题选择双层涂胶以及非完全显影的方式制作光栅透镜，口径约为1.1mm，其轮廓的球面拟合度较好。另外还分析了诸如接触角、显影程度和透镜口径等因素对热熔曲面轮廓的影响。实验证明较小的接触角能够让透镜的像面焦距不致于过小。在变栅距光栅的制作方面，本课题还探索了电子束光刻工艺以及常规的紫外光刻工艺。电子束光刻具有极高的精度，可以实现10nm甚至更小的线宽，但应用条件苛刻，难以完成曲面的聚焦加工，而且对基底材料的导电性有一定要求。而紫外光刻工艺虽然相对简单，但线宽最小仅能达到亚微米级别。此外，试制样本实验还发现透镜边缘位置存在光刻胶堆积的情况，所以并不适应。

全文目录

致谢  5-6
摘要  6-7
Abstract  7-9
目录  9-11
图目录  11-13
表目录  13-14
1 绪论  14-24
  1.1 光谱仪技术简介  14
  1.2 光谱仪的微型化研究方向  14-15
  1.3 MOEMS 技术简介  15-16
  1.4 微型光谱仪的研究现状  16-21
    1.4.1 国外研究现状  16-19
    1.4.2 国内研究现状  19-21
  1.5 论文的主要研究工作  21-23
  1.6 论文的内容安排  23-24
2 变栅距光栅的衍射原理  24-30
  2.1 透射光栅光谱仪的工作原理  24-26
  2.2 变栅距光栅的简介  26
  2.3 变栅距光栅的原理  26-27
  2.4 变栅距光栅的设计方法  27-28
  2.5 本章小结  28-30
3 变栅距光栅透镜的消像差优化设计  30-46
  3.1 变栅距光栅透镜的设计模型  30-32
    3.1.1 坐标系统与模型  30-31
    3.1.2 简化设计模型与符号约定  31-32
  3.2 像差评价函数的推导  32-34
  3.3 光程级数展开  34-36
  3.4 变栅距光栅的 MATLAB 消像差设计  36-39
    3.4.1 程序流程  36-37
    3.4.2 单波长与多波长的优化设计算例  37-39
  3.5 变栅距光栅透镜的 ZEMAX 仿真  39-45
    3.5.1 仿真模型  39-40
    3.5.2 确定光谱分辨率的方法  40
    3.5.3 单波长的优化仿真分析  40-42
    3.5.4 多波长的优化仿真分析  42-44
    3.5.5 两种优化设计的简单对比  44-45
  3.6 本章小结  45-46
4 微透镜的热熔法制作工艺  46-56
  4.1 光刻胶热熔法概述  46-47
    4.1.1 热熔法的透镜制作工艺原理  46
    4.1.2 热熔工艺的研究与发展  46-47
  4.2 微透镜的热熔制作工艺  47-48
  4.3 透镜热熔效果的影响因素分析  48-54
    4.3.1 基本实验条件  48
    4.3.2 单层胶与双层胶的效果比较  48-50
    4.3.3 显影程度对透镜面形的影响  50-52
      4.3.3.1 透镜热熔的接触角  50-51
      4.3.3.2 完全显影与非完全显影的热熔效果对比  51-52
    4.3.4 透镜口径与热熔曲面轮廓之间的关系  52-54
  4.4 透镜制作工艺参数汇总  54-55
  4.5 本章小结  55-56
5 变栅距光栅的光刻制作工艺探索  56-62
  5.1 电子束光刻工艺  56-57
    5.1.1 概述  56
    5.1.2 光栅制作的适用性与限制  56-57
  5.2 紫外光刻工艺  57-60
    5.2.1 可行性讨论  57-58
    5.2.2 光栅试制样本  58-60
  5.3 本章小结  60-62
6 总结与展望  62-64
  6.1 论文工作总结  62-63
  6.2 未来工作展望  63-64
参考文献  64-68
附录 1：消像差优化设计的仿真结果分辨率数据  68-69
附录 2：针对多波长的消像差优化设计 MATLAB 代码  69-76
作者简介与攻读学位期间发表的研究成果  76

变栅距光栅透镜的设计与制作工艺研究

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