MEMS scanners for spectroscopy and laser scanning systems

Abstract

Orta/uzak bant kızılötesi spektroskopi ve endoskopik lazer görüntüleme uygulamaları için, elektrostatik tahrikli mikro-elektro-mekanik sistem (MEMS) temelli iki yeni yöntem geliştirilmiştir. Bu yöntemler kullanılarak işlevsel örnek sistemlerin kurulmasına ek olarak, bu örnek sistemlerde kullanılabilecek MEMS aygıtların tasarım, üretim ve karakterizasyon sonuçları da bu tez dahilinde sunulmuştur.Kızılötesi emilim spektroskopisi, kimyasal ve biyolojik örnek analizi için son derece uygun bir yöntem olup, endüstriyel ve akademik dünyada geniş uygulama alanlarına sahiptir. Birçok farklı kızılötesi spektrosokopi tekniğinden biri olan Fourier dönüşümü spektroskopisi (FDS), sunduğu üstün spektral çözünürlük, yüksek veri toplama hızı ve düşük gürültü seviyesi gibi artıları sayesinde girişim ızgarası veya Fabry-Perot spektroskopisi gibi diğer yaygın yöntemlerden ayrılmaktadır. Bu tez kapsamında geliştirilen FDS yöntemi aynı anda mekanik hareket kaynağı, girişim ızgarası ve konum algılayıcısı olarak üç farklı işlevi yerine getiren tarak tahrikleyici yapılarını kullanmaktadır. Tahrik mekanizmasının bu üçlü kullanımı sayesinde oldukça basit ve üretimi kolay bir MEMS aygit ile yüksek performanslı ve küçük boyutlu bir spektroskopi sistemi geliştirilebilmiştir. Bu yeni sistemin varolan diğer spektroskopi yöntemlerine nazaran en önemli avantajları küçük ve basit sistem mimarisi, yüksek ışık verimi, ve kolay üretim süreci olarak sıralanabilir.Lazer tarama yöntemi bir çok modern görüntüleme uygulamasinda kilit rol oynamakta olup, geleneksel olarak pahalı algılayıcı dizinleri ve verimsiz ışık kaynakları kullanan karmaşık sistemlerin boyutlarını ve maliyetlerini önemli oranda azaltma imkanı sunmaktadır. Ayrıca, ölçüm teknolojileri ve tibbi görüntüleme gibi alanların giderek daha çok ihtiyaç duyduğu küçük ancak yüksek çözünürlüklü tarayıcı sistemleri için de mevcut yaklaşımlara oranla önemli olanaklar sunmaktadır. Bu nedenle, bir çok uygulama için varolan tarama sistemlerinin çözünürlük ve hız benzeri kriterlerden taviz vermeden küçültülebilmeleri için lazer tarama yöntemi kullanılabilir. Bu ihtiyaca cevap verme amacıyla, bu tez kapsamında, mikro-mercek dizinleri temelli bir lazer tarama yöntemi geliştirilmiştir. Geliştirilen tarama mimarisi ard arda sıralanmış ve ikisi yanal doğrultuda eşzamanli olarak hareket edebilen dört mikro-optik elemandan (üç mikro-mercek dizini ve bir ön tarama merceği) oluşmaktadır. Ayrıca, bu mikro-optik elemanların süratli ve hassas hareketini sağlamak amacıyla yine elektrostatik tahrik prensibini kullanan bir MEMS kızak aygıtı da bu tez kapsamında tasarlanmış, üretilmiş, ve karakterize edilmiştir.

Two novel methods are developed for Fourier transform spectroscopy (FTS) and laser scanned display and imaging based on electrostatic comb actuated micro-electro-mechanical system (MEMS) components. Construction of fully functional system demonstrators, in addition to the design, fabrication and characterization of novel optical MEMS components is also presented.Infrared (IR) absorption spectroscopy is an established method for the detection and analysis of chemical and biological samples, and used extensively in a wide range of industrial and research oriented applications. Fourier transform spectroscopy (FTS) is one of the numerous IR spectroscopy techniques, distinguished by its unprecedented spectral discrimination paired with the inherent sensitivity, due to its throughput and multiplex advantages providing higher SNR and speed compared to other conventional methods like grating or Fabry-Perot spectrometers. The FTS method developed in this thesis employs a miromachined out-of-plane resonant mode comb-actuator simultaneously utilized for actuation, light dispersion, and optical path difference monitoring. The fundamental advantages offered by the proposed MEMS spectrometer system over the existing Fourier spectrometers are simplicity and compactness, good light efficiency (wide clear aperture), ease of fabrication and straightforward system integration capability.Laser scanning is a key technology behind many modern high resolution display and imaging systems. Through the single source-single detector approach, laser scanning can significantly reduce the cost and the complexity of demanding applications, which traditionally employ costly detector arrays, and inefficient flood illuminators. Furthermore, fields like medical imaging diagnostics and measurement technology have increasing demand on compact and high performance imagers. Hence, miniaturization of high resolution scanning systems is crucial. A novel microlens array based high-resolution laser scanning architecture and its implementation using comb actuated MEMS translation stages are proposed. The scanning architecture consists of four cascaded micro-optical elements (1 microlens and 3 microlens arrays (MLA)), where the lens and one of the MLAs are laterally moving. The novel device proposed here will enable precision alignment and scanning of the micro-optical components through integrated fabrication of polymer micro-optics on silicon micro-mechanics.