MỞ ĐẦU Trong rấ t nhiề u hê ̣thố ng quang MEMS (Micro ElectroMechanical Systems), ́ h là mô ̣t thành phầ n quan tro ̣ng trong viê ̣c chuẩ n trực và hô ̣i tu ̣ ánh sáng vi thấ u kin vào điể m nhỏ để ghép ánh sáng giữa các thành phầ n có kích thước khác nhau trong truyề n thông, đầ u đo ̣c quang, đế m phầ n tử ha ̣t trong hê ̣ vi lưu, ta ̣o ảnh và trong các hê ̣ vi cảm biế n quang nhằ m phát hiêṇ khác biêṭ trong môi trường kiể m tra, v. Các vi thấ u kính đươ ̣c thực hiê ̣n trên mô ̣t số vâ ̣t liêụ bằ ng vi gia công, chủ yế u là ăn mòn khô thủy tinh, ta ̣o da ̣ng và đinh ̣ da ̣ng polymer bằ ng nhiề u phương pháp khác nhau. Với phương pháp ăn mòn khô thủy tinh, khó nhâ ̣n đươ ̣c bề mă ̣t nhẵn bóng do bắ n phá của các ha ̣t ion năng lươ ̣ng cao. Điề u này ảnh hưởng rấ t nhiề u đế n đă ̣c trưng quang của vi thấ u kính.
Với phương pháp ta ̣o hình và đinh ̣ da ̣ng polymer, có thể dùng nhiê ̣t để đinh ̣ da ̣ng vi thấ u kính cầ u đố i với các polymer chảy nhiê ̣t, hoă ̣c dùng điêṇ thế cao và chiế u sáng UV để chế tạo thấu kính phi cầu đố i với các polymer phân cực. Tuy nhiên, có mô ̣t số ha ̣n chế trong các vi thấu kiń h làm từ polymer chảy nhiê ̣t, do tính chiụ nhiê ̣t, bề n hóa, bề n cơ khí kém, ngoài ra, chúng còn có thể không tương thích với các thực nghiê ̣m vi sinh. Nhóm polymer phân cực thì bề n nhiêt,̣ hóa, cơ, song viêc̣ dùng điê ̣n thế cao để ta ̣o da ̣ng thấ u kiń h là mô ̣t ha ̣n chế lớn. Chính vì vâ ̣y, viê ̣c nghiên cứu đề xuấ t mô ̣t phương pháp thuâ ̣n tiê ̣n để chế ta ̣o vi thấ u kính có cấ u trúc mong muố n và bề mă ̣t nhẵn bóng đố i với vâ ̣t liêụ thủy tinh/polymer tương thích với các phần tử y sinh là mô ̣t trong các mu ̣c tiêu của đề tài.
Các vi thấ u kính này có thể đươ ̣c ứng du ̣ng trong truyề n thông, cũng như cảm biến môi trường, v. Với các lí do trên tôi quyế t đinh ̣ cho ̣n đề tài luâ ̣n văn: “Nghiên cứu chế ta ̣o và khảo sát đă ̣c trưng của vi thấ u kính trên cơ sở màng micro-nano SU-8 ứng du ̣ng trong hê ̣ thố ng quang MEMS/NEMS”. Luâ ̣n văn đặt mục tiêu nghiên cứu chế ta ̣o và khảo sát đă ̣c trưng của vi thấu kính; thử nghiê ̣m và đánh giá khả năng ứng du ̣ng của vi thấ u kính trong hê ̣ thố ng quang MEMS. Kế t quả của luâ ̣n văn là xây dựng mô ̣t phương pháp linh hoa ̣t, đơn giản và hiê ̣u quả trong viê ̣c chế ta ̣o vi thấ u kính dùng trong các hê ̣ thố ng MEMS quang dùng trong truyề n thông và cảm biế n.
Nội dung nghiên cứu thực hiê ̣n trong luận văn: Luâ ̣n văn sẽ thực hiện các nội dung nghiên cứu cụ thể sau đây: - Tổ ng quan về các khái niê ̣m quang hình ho ̣c cơ bản, các phương pháp chế ta ̣o vi thấ u kính và ứng du ̣ng của vi thấ u kính trong thực tiễn. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 2 - Nghiên cứu phương pháp chế ta ̣o vi thấ u kính bằ ng công nghệ MEMS. Tìm điều kiện công nghệ tối ưu để chế ta ̣o vi thấ u kính có bề mă ̣t nhẵn bóng và hình da ̣ng cầ u cầ n thiế t. - Khảo sát hình thái học bề mặt, hình da ̣ng của các vi thấ u kính đươ ̣c chế ta ̣o thông qua các phép đo như Alpha-step.
- Đánh giá đă ̣c trưng quang cơ bản của vi thấ u kiń h như điể m sáng, tiêu cự, quang sai. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 3 TỔNG QUAN 1. Khái niệm quang hình học cơ bản 1. Khái niệm cơ bản về thấu kính Thấu kính là tên gọi chung chỉ thành phần thủy tinh, silic hoặc chất liệu plastic trong suốt, thường có dạng tròn, có hai bề mặt chính được mài nhẵn một cách đặc biệt (giới hạn bởi hai mặt cong hoặc bởi một mặt cong và một mặt phằng) nhằm tạo ra sự hội tụ hoặc phân kì của ánh sáng truyền qua chất đó.
(Hình 1-1) Hình 1-1 Các loại thấu kính cơ bản. Phân loại thấu kính Thấu kính có thể là hô ̣i tu ̣ hoặc phân kì tùy thuộc vào chúng làm cho các tia sáng truyền qua hội tụ vào một tiêu điểm, hoặc phân kì ra xa trục chính. Thấu kính hô ̣i tu ̣ (minh họa trong Hình 1-2) làm hội tụ các tia sáng tới song song với trục chính và hội tụ chúng tại tiêu diện, tạo nên ảnh thật. Như chỉ rõ trong Hình 1-2, thấu kính hô ̣i tu ̣ có một hoặc hai mặt lồi và ở giữa dày hơn ngoài rìa.
Đặc điểm chung của thấu kính hô ̣i tu ̣ là chúng phóng to vật khi chúng được đặt giữa vật và mắt người. Ngược lại, thấu kính phân kì làm phân kì các tia sáng tới song song và tạo nên ảnh bằng cách kéo dài các vết tia sáng truyền qua thấu kính đến một tiêu điểm nằm trước thấu kính. Thấu kính phân kì có ít nhất một mặt lõm và ở giữa mỏng hơn ngoài rìa (xem Hình 1-3). Khi thấu kính phân kì được đặt giữa vật và mắt, nó không tạo nên ảnh thật, mà làm giảm (hoặc thu nhỏ) kích thước biểu kiến của vật bằng cách tạo nên ảnh ảo.
Thấu kính hội tụ Các dạng hình học thấu kính cơ bản đối với thành phần thấu kính hô ̣i tu ̣ minh họa trong Hình 1-2 là hai mặt lồi (Hình 1-2a) và phẳng-lồi (Hình 1-2b, có một bề mặt phẳng). Ngoài ra, thấu kính lồi-khum (Hình 1-2c) có cả mặt lồi và mặt LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 4 lõm có độ cong tương đương, nhưng ở giữa dày hơn ngoài rìa. Thấu kính hai mặt lồi là thấu kính phóng đại đơn giản nhất, và có tiêu điểm và độ phóng đại phụ thuộc vào góc cong của bề mặt. Góc cong càng lớn thì tiêu cự càng ngắn, vì sóng ánh sáng bị khúc xạ ở góc lớn hơn so với trục chính của thấu kính.
Bản chất đối xứng của thấu kính hai mặt lồi làm giảm tối thiểu quang sai cầu trong những ứng dụng trong đó ảnh và vật nằm đối xứng nhau. Khi một thấ u kính hai mặt lồi hoàn toàn đối xứng (trong thực tế, độ phóng đại là 1:1), quang sai cầu có giá trị cực tiểu, quang sai coma và méo hình cũng đạt cực tiểu hoặc triệt tiêu. Nói chung, thấu kính hai mặt lồi hoạt động với quang sai cực tiểu ở độ phóng đại từ 0,2x đến 5x. Thấu kính lồi chủ yếu được dùng trong các ứng dụng hội tụ và phóng đại ảnh.
Thấu kính phẳng-lồi điển hình (Hình 1-2b) có một mặt lồi dương và một mặt phẳng ở phía bên kia thấu kính. Những thành phần thấu kính này làm hội tụ các tia sáng song song vào một tiêu điểm dương và hình thành ảnh thực có thể chiếu hoặc điều chỉnh bằng các bộ lọc không gian. Sự không đối xứng của thấu kính phẳng-lồi làm tối thiểu quang sai cầu trong các ứng dụng trong đó vật và ảnh nằm ở khoảng cách không bằng nhau tính từ thấu kính. Trường hợp tốt nhất để làm giảm quang sai xảy ra khi vật nằm ở vô cùng (trong thực tế, các tia sáng song song đi vào thấu kính) và ảnh hội tụ tại tiêu điểm.
Tuy nhiên, thấu kính phẳng-lồi sẽ tạo ra quang sai cực tiểu ở tỉ số liên hợp lên tới gần 5,1. Khi mặt cong của thấu kính phẳng-lồi hướng về phía vật, sẽ thu được sự hội tụ sắc nét nhất có thể có. Thấu kính phẳng-lồi được dùng làm chuẩn trực các chùm tia phân kì và thiết đặt tiêu điểm cho quang hệ phức tạp hơn. Thấu kính khum dương (Hình 1-2c) có cấu trúc không đối xứng với một mặt dạng bán kính lồi, còn mặt kia thì hơi lõm.
Thấu kính khum thường được dùng chung với các thấu kính khác tạo nên quang hệ có tiêu cự dài hơn hoặc ngắn hơn các thấu kính ban đầu. Ví dụ, thấu kính khum dương có thể đặt sau thấu kính phẳng-lồi làm ngắn đi tiêu cự mà không làm giảm hiệu suất của thấ u kính phẳ ng- lồ i. Thấu kính khum dương có bán kính cong ở mặt lõm của thấu kính lớn hơn ở mặt lồi cho khả năng hình thành nên ảnh thật. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.
Thấu kính phân kì Thành phần thấu kính phân kì gồm có hai mặt lõm (Hình 1-3a), phẳng-lõm (Hình 1-3b, có một bề mặt phẳng), và lõm-khum (Hình 1-3c), cũng có các bề mặt lõm và lồi, nhưng ở giữa mỏng hơn ở rìa. Đối với cả thấu kính khum dương và khum âm, khoảng cách giữa hai bề mặt và tiêu diện của chúng là không bằng nhau, nhưng tiêu cự của chúng thì bằng nhau. Đường thẳng nối giữa tâm của các mặt cong thấu kính trong Hình 1-3 được gọi là trục chính của thấu kính. Thấu kính đơn giản có hình dạng đối xứng (hai mặt lồi hoặc hai mặt lõm) có các mặt phẳng chính cách đều nhau và cách đều hai bề mặt.
Sự thiếu đối xứng ở những thấu kính khác, ví dụ như thấu kính khum và thấu kính phẳng âm và dương, làm cho vị trí của các mặt phẳng chính thay đổi theo hình học thấu kính. Thấu kính phẳng-lồi và phẳng-lõm có một mặt phẳng chính cắt trục chính, tại rìa của mặt cong, và mặt phẳng kia thì nằm sâu bên trong thấu kính. Các mặt phẳng chính đối với thấu kính khum nằm bên ngoài bề mặt thấu kính. Thấu kính hai mặt lõm (Hình 1-3a) chủ yếu dùng làm phân kì các chùm tia sáng và làm giảm kích thước ảnh, cũng như làm tăng tiêu cự quang hệ và làm chuẩn trực các chùm tia phân kì.
Thường được gọi là thấu kính lõm kép, nguyên tố quang này khúc xạ các tia sáng vào song song sao cho chúng phân kì khỏi trục chính ở mặt ra của thấu kính, tạo nên tiêu cự âm ở phía trước thấu kính. Mặc dù các tia sáng ra không thật sự đồng nhất để hình thành một tiêu điểm, chúng thực sự có vẻ phân kì từ một ảnh ảo nằm ở phía vật của thấu kính. Thấu kính hai mặt lõm có thể ghép chung với các thấu kính khác để làm giảm tiêu cự quang hệ.