二元光学的组件设计技术与实现方法研究

论文摘要

通过分析二元光学元件应用、设计和加工工艺状况,得到的基本结论是:二元光学元件的应用正在向与微电子、微机械系统集成化方向发展,而其设计理论和工艺方法还停留在单个元件的设计和加工层面。为适应二元光学元件集成化的发展需要,本文在二元光学元件系统设计方法、组件级设计算法理论,工艺加工方法、加工设备等方面展开研究。研究结果,为二元光学组件设计与实现打下了基础,也为二元光学元件与微电子、微机械系统集成提出了一个研究方向。本文的主要工作是:借鉴微电子技术设计思想,首次提出二元光学元件层次化系统设计的方案,包括:系统级设计、组件级设计、元件设计和元件工艺模型的建立,以适应二元光学元件集成化应用的需要。首次提出了二元光学组件横向设计技术的概念和方法。这是一种组件级集成设计方法,其特点是:以元件实际应用时的状态和位置为基础,以多个二元光学元件（即组件）为对象进行的设计。这样能避免通常以单个二元光学元件为对象设计,在集成应用时,由组装带来的对位等调试误差。基于光的标量衍射理论和夫琅禾费近似的约束,推导出一种二元光学组件设计算法,并结合横向设计技术,成功地设计出减法器组件,验证了本文提出的二元光学组件横向设计技术和组件设计算法。借鉴光固化快速成型工艺,首次提出了一种二元光学元件加工工艺-----横向加法光固化成型工艺。对工艺误差进行了分析和仿真,结果表明该工艺对工艺对准误差不敏感。这一工艺不仅能支持横向设计技术设计的组件加工,而且与微电子、微机械加工工艺同属加法工艺,具有良好的兼容性。采用虚拟数字掩模技术,研制出了二元光学元件加工设备。与常用的光固化成型设备比较,本设备不仅可控性能好,而且研发成本低。分析了设备系统误差,以便在设计时考虑修正,提高元件加工精度。在该设备上制作出的光栅与传统工艺在感光胶上制作的光栅进行比较,结果表明,本文提出的加工工艺方法可行,设备能满足实验要求。在系统设计中明确提出了二元光学元件工艺模型的建立概念。以菲涅尔透镜工艺模型建立为例,说明了工艺模型的建立方法。工艺模型的概念为二元光学元件设计与制作实现行业分工,提供了行业间接口的基础,有利于二元光学领域的发展。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 二元光学概述
• 1.1.1 概念
• 1.1.2 二元光学的地位
• 1.1.3 应用前景
• 1.2 设计理论及其算法国内外发展状况
• 1.3 制作工艺及其发展状况
• 1.3.1 向缩小特征尺寸方向发展的工艺
• 1.3.2 大特征尺寸适用的工艺
• 1.3.3 适应大批量生产发展的工艺
• 1.3.4 适应二元光学系统集成和集成微光机电系统发展的工艺
• 1.4 本文研究的主要内容
• 1.5 本文的结构
• 第二章 二元光学技术的基本理论
• 2.1 傅里叶变换及卷积运算
• 2.1.1 一维傅里叶变换
• 2.1.2 二维傅里叶变换
• 2.1.3 常用傅里叶变换性质
• 2.1.4 几个特殊函数及其傅里叶变换
• 2.1.5 卷积运算
• 2.2 麦克斯韦方程及波动方程
• 2.3 标量衍射理论
• 2.3.1 衍射的平面波理论
• 2.3.2 夫琅禾费衍射现象的傅里叶分析
• 2.4 衍射效率及二元光学元件设计评价函数
• 2.4.1 衍射效率
• 2.4.2 二元光学元件设计优化评价函数
• 2.5 矢量衍射理论简介
• 2.6 本章小结
• 第三章 二元光学系统设计方法研究
• 3.1 横向系统设计新技术
• 3.2 二元光学组件级（子系统）设计算法
• 3.3 系统设计方法
• 3.3.1 系统级设计
• 3.3.2 组件级设计
• 3.3.3 元件设计模型的建立
• 3.3.4 工艺模型设计
• 3.4 组件模块级设计举例
• 3.4.1 一维减法器的工作原理
• 3.4.2 一维减法器组件的设计
• 3.4.3 设计结果及仿真验证
• 3.5 元件设计举例
• 3.5.1 浮雕面形调制型光栅分束元件的原理
• rs'>3.5.2 优化计算a_rs
• 3.5.3 设计结果与仿真
• 3.5.3.1 分束比为1：2×2
• 3.5.3.2 分束比为1：3×3
• 3.5.3.3 分束比为1：4×4
• 3.5.4 结论
• 3.6 工艺模型设计举例
• 3.7 本章小结
• 第四章 二元光学组件制作工艺研究
• 4.1 引言
• 4.2 横向加法光固化成型工艺
• 4.2.1 横向加法光固化成型工艺流程
• 4.2.2 组件制作原理及过程
• 4.3 工艺误差分析及其对衍射效率的影响
• 4.4 几个与工艺有关的论题
• 4.4.1 光敏树脂的组成及其固化机理
• 4.4.2 光固化光敏树脂实验规律
• 4.4.3 光固化成型元件的翘变
• 4.5 本章小结
• 第五章 加工设备的研制
• 5.1 设备系统构成
• 5.2 设备设计
• 5.3 数字虚拟掩模技术
• 5.3.1 数字虚拟掩模的概念
• 5.3.2 DMD 的像素单元结构
• 5.3.3 DMD 的工作原理
• 5.3.4 图像更新
• 5.4 设备误差分析
• 5.4.1 DMD 的衍射特性
• 5.4.2 衍射误差分析
• 5.4.3 结论
• 5.5 制作实验
• 5.6 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 本文主要工作及取得的成果
• 6.2 本文的主要贡献及创新
• 6.3 工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 学习期间的研究成果及发表的学术论文