變形鏡原理及分類

變形鏡早期發(fā)展

H.W.Babcock 在1953 年首先提出了自適應(yīng)光學(xué)的概念，其主要方法就是在光瞳面放置一個(gè)光學(xué)“校正器”，并且通過實(shí)時(shí)控制來改變這個(gè)校正器的面形來補(bǔ)償大氣引入的像差。Babcock 的開創(chuàng)性論述中所提出的光學(xué)校正器叫做“Ediophor”，設(shè)想用一層薄的反射層覆蓋在一層油膜上面，然后在油膜上面施加電荷，靜電力使油膜根據(jù)電荷的空間分布產(chǎn)生相應(yīng)的厚度變化，從而對(duì)入射的光線產(chǎn)生光程調(diào)制，這就是變形鏡的原型，如圖1。

圖1 巴布科克提出的變形鏡原理

但在當(dāng)時(shí)的技術(shù)條件下沒能真正實(shí)現(xiàn)這樣的結(jié)構(gòu)。之后隨著激光技術(shù)的發(fā)明和應(yīng)用以及軍事研究的刺激，變形鏡的技術(shù)得以迅速發(fā)展，這也直接推動(dòng)了自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)的發(fā)展。在美方合同的支持下，Itek 公司的J.W.Hardy 等人于1974年發(fā)明了整體式壓電驅(qū)動(dòng)變形鏡用于空間目標(biāo)觀測(cè)系統(tǒng)。1984年，Itek 公司與Bell 公司航空事業(yè)部門合作研制出250單元的電致伸縮冷卻硅變形鏡用于激光遠(yuǎn)距離傳輸。美國(guó)UnitedTechnologies 研究中心在20世紀(jì)70年代中期研制成功了一系列用于高能激光的變形鏡。20世紀(jì)80年代法國(guó)Laserdot 公司研制成功19單元和52單元兩種分立式壓電變形鏡，提供歐洲南方天文臺(tái)（ESO）的Come-On 和Come-On Plus 計(jì)劃使用。進(jìn)入90 年代以后到現(xiàn)在以變形鏡為代表的波前校正器件更是蓬勃發(fā)展、種類繁多。

傳統(tǒng)變形鏡

基本上所有類型的傳統(tǒng)變形鏡都是用驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生一個(gè)力來推動(dòng)薄的反射鏡面。鏡面可以是一塊塊分立的小反射鏡也可以是一整塊薄的反射面；力的產(chǎn)生有很多種不同的方法，但應(yīng)用最多、最成功的是壓電效應(yīng)和電致伸縮效應(yīng)等。區(qū)分各種變形鏡的基本要素有兩個(gè)：驅(qū)動(dòng)器和鏡面。按照這樣的方式可將變形鏡大致分為幾類，見下表。

分立表面變形鏡	分立式驅(qū)動(dòng)器	單自由度 （Piston）
		多自由度 （Piston&Tip/Tilt）
連續(xù)表面變形鏡	分立式驅(qū)動(dòng)器	垂直驅(qū)動(dòng)
		彎矩驅(qū)動(dòng)器	ez
	整體式驅(qū)動(dòng)器

的一類變形鏡是連續(xù)鏡面分立式驅(qū)動(dòng)器類型，典型結(jié)構(gòu)如圖2。整個(gè)結(jié)構(gòu)分三個(gè)主要部分：基底、驅(qū)動(dòng)器、薄鏡面。基底由剛度較高的材料構(gòu)成，主要作用是支撐整個(gè)變形鏡的結(jié)構(gòu)并且在工作過程中作為固定基板。單個(gè)驅(qū)動(dòng)器可以由壓電材料或電致伸縮材料疊片組成，很多個(gè)這樣的驅(qū)動(dòng)器按一定的空間分布固定在基底上并在其頂端粘接連接鏡面。薄鏡面的可選材料包括光學(xué)玻璃、硅、金屬等。驅(qū)動(dòng)器將電能轉(zhuǎn)換為垂直方向上的位移，從而推動(dòng)其上的鏡面。不同的驅(qū)動(dòng)器加上不同的電壓就能夠使鏡面產(chǎn)生各種復(fù)雜的變形。

圖2 連續(xù)鏡面分立式驅(qū)動(dòng)器變形鏡結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)變形鏡的驅(qū)動(dòng)技術(shù)

一般自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的波前相位調(diào)制量達(dá)到幾個(gè)微米，而且要求調(diào)制精度在納米級(jí)。傳統(tǒng)的機(jī)械式調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)難以滿足這樣的要求。所以從巴布科克提出自適應(yīng)光學(xué)的理論以來就沒有再考慮機(jī)械式的結(jié)構(gòu)，倒是各種功能材料很快便被引入到變形鏡的研制中來。

1．壓電材料驅(qū)動(dòng)器

當(dāng)對(duì)壓電材料施加壓力時(shí)，材料體內(nèi)的電偶極矩會(huì)因外力的壓縮而變短，此時(shí)壓電材料為抵抗這變化會(huì)在材料的相對(duì)的兩個(gè)表面上產(chǎn)生等量的正負(fù)電荷，這種由于應(yīng)變而產(chǎn)生電極化的現(xiàn)象稱為“正壓電效應(yīng)”。它實(shí)質(zhì)上是將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的過程。當(dāng)在壓電材料表面施加電場(chǎng)時(shí)，材料內(nèi)的電偶極矩會(huì)因電場(chǎng)的作用而被拉長(zhǎng)，壓電材料為抵抗變化，也會(huì)沿著電場(chǎng)方向伸長(zhǎng)，這種通過電場(chǎng)作用而產(chǎn)生形變的過程則被稱為“逆壓電效應(yīng)”。逆壓電效應(yīng)實(shí)質(zhì)上是將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的過程。

壓電材料可以分成壓電單晶體、壓電多晶體（壓電陶瓷）、壓電聚合物和壓電復(fù)合材料四種，其中壓電陶瓷的應(yīng)用是泛的。被發(fā)現(xiàn)具有壓電性質(zhì)是鈦酸鋇，但是由于純的鈦酸鋇燒結(jié)難度較大，并且在居里點(diǎn)（120℃左右）附近有相變發(fā)生，即使改變其摻雜特性，其壓電性仍然不是太高。1950年左右發(fā)明的鋯鈦酸鉛（LeadZirconate Titanate，PZT）則是迄今為止使用最多的壓電陶瓷，也是用作為變形鏡驅(qū)動(dòng)器的材料。如今很大一類的變形鏡的驅(qū)動(dòng)器陣列還在使用PZT，只是各個(gè)材料的組份和特性稍有不同。

壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器就是利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)進(jìn)行工作的，即給壓電陶瓷施加外電壓，則會(huì)沿極化方向產(chǎn)生形變。圖3所示，壓電層疊驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)。

圖3 壓電層疊驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)

2. 電致伸縮材料驅(qū)動(dòng)器

另一種與壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器類似的是電致伸縮驅(qū)動(dòng)器。電致伸縮是一種應(yīng)力、應(yīng)變與電場(chǎng)二次項(xiàng)相關(guān)的非線性現(xiàn)象，亦稱電致伸縮效應(yīng)（electrostrictive effect）。它在所有的電介質(zhì)中都具有，不論是非壓電晶體還是壓電晶體，甚至一些聚氨基甲酸乙酯類的高分子聚合物以及鈣鈦礦類陶瓷材料也具有本類性質(zhì)。對(duì)于一些高介電性的壓電材料以及溫度略高于居里點(diǎn)的鐵電材料而言，電致伸縮效應(yīng)較為明顯。我們通常把具有明顯的電致伸縮效應(yīng)特性的材料稱之為電致伸縮材料。

電致伸縮材料可以分為陶瓷和聚合物電致伸縮材料兩種，馳豫鐵電陶瓷電致伸縮材料的伸縮系數(shù)通常為l0^-6 量級(jí)，在較低的驅(qū)動(dòng)場(chǎng)強(qiáng)下可以獲得較大的形變量，因此對(duì)其材料特性的研究已獲得廣泛開展，其特性已為人所熟知。而聚合物電致伸縮材料的電致伸縮系數(shù)通常為10^-8 量級(jí)，因此需要較高的驅(qū)動(dòng)場(chǎng)強(qiáng)，現(xiàn)階段還不適合作為波前校正器的驅(qū)動(dòng)器材料。實(shí)用的弛豫鐵電型電致伸縮陶瓷主要有鈮鎂酸鉛(PMN)、鈮鎂酸鉛一鈦酸鉛(PMN-PT)、摻鑭鋯鈦酸鉛（PLZT，也稱透明壓電陶瓷)、摻鋇鋯鈦酸鉛(PBZT)等系統(tǒng)。

3. 磁致伸縮材料驅(qū)動(dòng)器

的磁致伸縮性能使其在海洋工程的水聲聲納方面已經(jīng)超越了壓電陶瓷材料。但如果要作為變形鏡的驅(qū)動(dòng)器的話其結(jié)構(gòu)要稍顯復(fù)雜，如圖4。而且磁致伸縮原理本質(zhì)上磁場(chǎng)和機(jī)械耦合關(guān)系比較復(fù)雜，不利于驅(qū)動(dòng)器的線性化輸出控制。

圖4 磁致伸縮材料驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)示意圖

4. 靜電驅(qū)動(dòng)的薄膜變形鏡

1976年，Perkin-Elmer公司的M.Yellin等人發(fā)明了用薄膜作為鏡面，靜電力驅(qū)動(dòng)的變形鏡，如圖5所示。這是變形鏡領(lǐng)域的一個(gè)突破，相比傳統(tǒng)的壓電變形鏡工藝簡(jiǎn)化，造價(jià)明顯降低，只是薄膜制備工藝和裝配過程還是需要技巧。

圖5 薄膜變形鏡的原理及電極示意圖

5. 雙壓電片變形鏡

由壓電陶瓷片構(gòu)成的雙壓電片結(jié)構(gòu)（Bimorph）作為驅(qū)動(dòng)器在1960年就已經(jīng)廣為使用，但一般制作成長(zhǎng)條狀的懸臂梁結(jié)構(gòu)，如圖6所示。相比于其它類型的變形鏡，雙壓電變形鏡的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、變形量大，可以做到中等口徑。雙壓電片的制造工藝要比層疊驅(qū)動(dòng)器的變形鏡簡(jiǎn)單，不用制成成排的驅(qū)動(dòng)器，只需將兩片壓電材料薄片上層積上一定的電極圖形，然后粘接并在這個(gè)三明治結(jié)構(gòu)的兩面都沉積公共電極，最后再在兩面都粘上一層光學(xué)平板。

圖6 早期Bimorph變形鏡結(jié)構(gòu)示意圖

6. 音圈電機(jī)的變形鏡

音圈電機(jī)（Voice Coil）因其結(jié)構(gòu)類似于喇叭的音圈而得名，具有高頻響、高精度的特點(diǎn)。依據(jù)安培力原理，通電導(dǎo)體放在磁場(chǎng)中就會(huì)產(chǎn)生力，而力的大小取決于磁場(chǎng)強(qiáng)度和電流，以及磁場(chǎng)和電流的方向。如圖7所示，其基本原理是一個(gè)薄鏡面“懸浮”于一個(gè)由一系列音圈驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生的磁場(chǎng)上面。這個(gè)薄鏡面背面粘結(jié)與音圈驅(qū)動(dòng)器對(duì)應(yīng)的永磁體，所以能夠被磁場(chǎng)支撐起來。音圈驅(qū)動(dòng)器固定在一個(gè)較厚的金屬圓盤上，這個(gè)圓盤同事還作為散熱器帶走音圈驅(qū)動(dòng)器所產(chǎn)生的熱量。當(dāng)電流通過音圈時(shí)就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)局部磁場(chǎng)，磁場(chǎng)對(duì)鏡面背部的磁鐵施加力推動(dòng)鏡面產(chǎn)生變形。為了精確控制鏡面的位置，每一個(gè)驅(qū)動(dòng)器上都有一個(gè)電容傳感器，它實(shí)時(shí)測(cè)量區(qū)域內(nèi)鏡面背面與參考面的距離。

圖7 音圈電極原理示意圖

基于MEMS 技術(shù)的微變形鏡

MEMS 技術(shù)具有許多吸引人的特性：這種器件的尺寸在微米量級(jí)，便于儀器小型化；可以用集成電路工藝制作，易于批量生產(chǎn)，價(jià)格便宜；容易制成多陣列元件；產(chǎn)品性能重復(fù)性好，成品率高?；?/span>MEMS技術(shù)的各種傳感器和微機(jī)械成為當(dāng)時(shí)的研究熱點(diǎn)，如圖8示。

圖8 Miller最初的MEMS靜電變形鏡原理圖

根據(jù)鏡面分類，與傳統(tǒng)變形鏡類似，MEMS變形鏡也可以分為連續(xù)鏡面和分立式鏡面MEMS變形鏡兩類。根據(jù)驅(qū)動(dòng)方式分類，MEMS變形鏡的微驅(qū)動(dòng)器技術(shù)主要有靜電驅(qū)動(dòng)、電磁驅(qū)動(dòng)兩種。