CN100434963C - 可变形反射镜 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种自适应光学系统的变形镜。可变形反射镜，它包括驱动电极和硅膜，硅膜(6)为镜面，其特征在于：驱动电极(7)位于硅膜(6)的下方，驱动电极(7)与硅膜(6)之间的间距为35-45μm；硅膜(6)的上方设有透明电极(5)，透明电极(5)与硅膜(6)之间的间距为65-75μm；硅膜(6)的边缘与镜面支架(8)相固定，透明电极(5)的边缘与镜面支架(8)相粘接，驱动电极(7)由支撑柱(9)与镜面支架(8)相粘接。本发明采用硅膜(6)的上方设有透明电极(5)，它能驱使硅膜(6)产生靠近或远离驱动电极的两种形变，从而能更好的控制镜膜的形变，极大地提高校正波前的能力。

Description

可变形反射镜

技术领域

本发明涉及一种自适应光学系统的变形镜。

背景技术

典型的自适应光学系统是使用波前传感器2探测入射光波1前畸变，然后通过控制器向波前校正设备发出控制信号，控制镜面(变形镜)3的动作，使镜面发生形变。当镜面形状与畸变相位满足相位共轭关系时，畸变就会被抵消掉，从而波前得到恢复，成像(CCD)4分辨率得到提高。图1所示是一个典型的自适应光学结构图。镜面变形的能力及频率特性影响着整个光学系统的性能。

变形镜是自适应光学系统的关键部件，美国Itek公司最先开始研制变形镜并于1973年研制成功第一块21单元整体压电变形镜。80年代法国Laserdot公司研制成功52单元分立式压电变形镜并提供给欧洲南方天文台使用。我国这方面起步较晚，中科院光电研究所于1986年研制成功19单元分立式压电变形镜并马上应用于被誉为“神光”的核聚变光学系统，这是世界上首次将变形镜应用于校正激光核聚变光学系统的波前误差。

然而传统的压电式，电磁式，液压式等成本高，驱动电压高，体积大，驱动电极少，变形量小，更主要的缺点通常是只能产生一个方向的形变。

发明内容

本发明的目的在于提供一种校正波前能力强的可变形反射镜。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：可变形反射镜，它包括驱动电极和硅膜，硅膜6为镜面，其特征在于：驱动电极7位于硅膜6的下方，驱动电极7与硅膜6之间的间距为35-45μm；硅膜6的上方设有透明电极5，透明电极5与硅膜6之间的间距为65-75μm；硅膜6的边缘与镜面支架8相固定，透明电极5的边缘与镜面支架8相粘接，驱动电极7由支撑柱9与镜面支架8相粘接。

所述的驱动电极7的阵列中电极的个数为32-300。

本发明采用硅膜6的上方设有透明电极5，它能驱使硅膜6产生靠近或远离驱动电极的两种形变，从而能更好的控制镜膜的形变，极大地提高校正波前的能力。

本发明具有如下特点：

1、硅膜6与驱动电极完全隔离，省去了繁琐的键合过程。

2、引入透明电极后，极大地改善了变型镜的性能。

3、透明电极的制作中设计的小孔把空气的负面影响减至最小。

4、采用静电驱动方式，静电驱动能耗低而且响应频率高。

附图说明

图1是一个典型的自适应光学结构图

图2是本发明的结构原理图

图3是本发明的结构示意图

图4是本发明的透明电极结构示意图

图5是本发明的镜面及镜面支架加工工艺图

图6是本发明的镜面的表面形状之一图

图7是本发明的镜面的表面形状之二图

图8是本发明的形变与电压的关系曲线图

图9是本发明的3种不同初始状态下电压与形变的关系曲线之一图

图10是本发明的3种不同初始状态下电压与形变的关系曲线之二图

图中：1-入射光波，2-波前传感器，3-镜面，4-成像，5-透明电极，6-硅膜，7-驱动电极，8-镜面支架，9-支撑柱。

具体实施方式

如图2、图3所示，可变形反射镜，它包括驱动电极7、透明电极5和硅膜6，硅膜6为镜面，驱动电极7位于硅膜6的下方，驱动电极7与硅膜6之间的间距为35-45μm；硅膜6的上方设有透明电极5，透明电极5与硅膜6之间的间距为65-75μm；硅膜6的边缘与镜面支架8相固定(硅膜6与镜面支架8也可做成一体)，透明电极5的边缘与镜面支架8相固定(粘接)，驱动电极7由支撑柱9与镜面支架8固定连接(粘接)。使用时，透明电极5位于光的入射方向。

所述的驱动电极7的阵列中电极的个数为32-300。

1、可变形反射镜的结构设计：如图2所示，

透明电极带的电势为V_T，硅膜带的电势为V_M，下方驱动电极阵列整体电势为V_A，其中单个的驱动电极的电势为v_Electrode。硅膜到透明电极与驱动电极的距离分别为d_T，d_A。驱动电极阵列的电极个数越多，越能更好的控制镜面的形状，但由于制作工艺的限制，本发明采用的驱动电极阵列的电极个数为256个。最终确定的结构是这样的：

表1可变形反射镜的结构

2、可变形反射镜的制作：

可变形反射镜的制作有两个关键部分：一是制作出相当薄的硅膜，这样硅膜才会很小的应力与韧性更利于硅膜的形变；二是在光的入射方向制作出投射率高的导电的透明电极。

2.1硅膜的制作：

为了使镜面获得良好的表面质量及较小的应力，选用4inch没有掺杂的绝缘体上硅(SOI)晶片作为主体材料，SOI本身具有复合结构，如图5(a)所示，它包含一层10μm厚的硅膜，1μm厚的掩埋氧化层，525μm厚的单晶硅。首先把最上层的单晶硅打磨成250μm的厚度，然后在其上方涂上一层光刻胶为后续的光刻做准备，再在SOI的最下方热氧化生成保护氧化层如图5(b)所示。接下来进行第一次光刻与KOH腐蚀，腐蚀的直径为16mm，深度直到掩埋氧化层，如图5(c)。第二次光刻与腐蚀确定支撑透明电极架子的高度(70-75μm)、宽度(18mm)，并去掉光刻胶如图5(d)。接着用7∶1的FH溶液剥离掉硅膜两侧的氧化层如图5(e)；硅膜6的厚度为10μm。

最后还需在硅膜的下表面溅射一层0.5μm厚的铝膜，这样能使硅膜增加导电性能，又能提高反射率，同时也能保持硅膜的平整度。铝膜的应力依赖于铝膜的厚度，同时温度的变化也会对应力产生影响，因此这一道工序是在硅膜与驱动电极键合后进行的，此后的导线焊接与封装过程中温度不会超过70度。

3.1透明电极的制作：

透明电极产生的静电力可以使硅膜产生向上的变形。这里选用Borofloat(浮法硼硅玻璃)玻璃作为主体材料，因为这种材料对于300-800nm的可见光波反射率特别高，打磨后的厚度为170μm，直径为17mm。Borofloat玻璃上面覆盖一层增透膜[没有特定材料要求，如选用氟化镁(MgF₂)]厚度100nm，Borofloat玻璃下表面溅射一层既能导电又能有很好透光性能的氧化铟锡(ITO)层，氧化铟锡层的厚度没有特定要求，氧化铟锡层的直径为14mm。

在透明电极的靠近边缘部位设计出4个直径1mm的通风孔，这4个通风孔能贯通透明电极两侧的空气，这样就避免了在封装后空气阻力对镜面响应频率的负面影响，同时利用环氧树脂粘合剂连接ITO层与外电路导线。此工序可以在这些通风孔的内壁完成。要做到硅膜与透明电极完全绝缘，透明电极边缘与镜面支架接触的部分不能被ITO覆盖，如图4所示，是透明电极的俯视图。

如图3所示，驱动电极的上方是用聚酰亚胺做成的支撑柱。硅膜6与驱动电极阵列的距离为35-45μm。直径为10mm的电极阵列集成着象瓦片一般对称平铺的256个电极，每个电极为400μm宽的正方形，电极间的间隔为150μm。

3.2封装与驱动：

由于驱动电极阵列与硅膜不接触，因此省去了复杂的键合过程。组装完成后驱动电极阵列中256个电极通过自动接线盒与一块较大面积(4cm²)的陶瓷针状栅格阵列相连。针状栅格阵列可以构成一个译码电路。16通道16位传输线经由高压-D/A转换卡接到电脑。驱动软件由c++及Tcl编写。封装可以在开放的常压下进行。这样可以通过计算机给任意电极加上一定的电压，透明电极的电压由另外单独连续可调的电压源控制。

4、性能测试

当给驱动电极阵列中的不同电极施加一定的电压时，镜面将会发生形变。使用迈克尔逊干涉仪和精密微动平台可以对镜面的静态性能进行测试，随着镜面的形变，迈克尔逊干涉仪出来的条纹也将发生变化如图6、图7，通过控制支撑镜面的微动平台的移动，使干涉图样恢复到原位，此时微动平台的位移量即变形镜的变形量。也可以借助于泰曼干涉仪及ZYGO软件可以获得硅膜的表面形状。

4.1初始电压的确定：

首先研究初始电压为多大时硅膜可以保持水平。由制作工艺可以保证当硅膜两侧电极的电势V_T、V_A为零时硅膜可以保持水平，只要|V_T-V_M|与|V_A-V_M|保持同比例的变化，硅膜也可以保持水平，因此对单个电极的最高电压没有限制。现在单独研究|V_T-V_M|与形变量(μm)的关系，此时V_A＝0，V_M＝0，他们的关系曲线如图8中“■”所连成的曲线，而V_A(V_T＝0，V_M＝0)与形变的关系如图8“○”所连成的曲线。图8中的纵坐标表示形变，横坐标表示电压。可见对于同样大小的电压，透明电极产生向上的形变比驱动电极阵列产生的向下形变要小，而且要想保持硅膜的水平|V_T-V_M|与|V_A-V_M|比值应为1.70。加在驱动电极阵列上的电压存在一个较小的极大值，从图8上可以看出这个极值电压为11伏，对应的硅膜整体最大向下形变量为14μm。当电压大于这个极值电压时硅膜与驱动电极便会吸在一起。这个最大的形变量应为

从而可以推出d_A＝3*14＝42μm。可知d_T＝1.70*42约为72μm。

从图8也可以看出当只单独使用驱动电极时，一般首先给硅膜施加8.6伏的偏置电压使硅膜处于-7μm的偏置状态，这样才有可能产生两个方向的形变。

4.2中心形变与初始电压：

为了测试变形镜的静态性能，给驱动电极阵列的中心四个电极施加电压v_Electrode。图9、图10画出了在三种不同初始状态下v_Electrode与镜面中心最大形变量之间的关系。图形的纵坐标表示变型镜中心处相对于初始状态的形变，向上的形变(靠近透明电极)为正值，向下的形变(远离透明电极)为负值。图形的横坐标表示中心四个电极相对于驱动电极阵列整体的电压变化量。

图9、图10中“*”号连成的曲线表示v_T＝0，v_M＝0，v_A＝8.6V的初始状态，此时硅膜处于-7μm的偏置状态。“+”号连成的曲线表示|v_T-v_M|＝17V，|v_A-v_M|＝10V的初始状态，此时硅膜处于水平初始状态。“

”号连成的曲线表示|v_T-v_M|＝13V，|v_A-v_M|＝22.1V硅膜处于水平的初始状态。

由图9、图10可知，当改变硅膜两侧的初始电压，硅膜的形变性能也发生变化。对于固定的形变量要求，引入透明电极后所需要ΔVoltage要小得多，从而可知引入透明电极后镜面更容易发生形变。结合图8可知引入透明电极后，依靠改变初始电压，可以获得+5μm的中心最大形变，这比单独使用驱动电极获得的形变要大的多。

变形镜的动态性能还需要进一步测试。可以预计，由于硅膜的很小的应力及良好的韧性使得它能满足一般环境下频率的要求。

由以上分析可知在硅膜两侧电极施加成比例的电压硅膜可以保持水平。当把驱动电极阵列中心四个电极当作一个整体，施加一定的电压，这种的带透明电极的变形镜在较小的驱动电压下能产生-14μm的最大形变，也能产生+5μm的形变甚至更大。也就是说变形镜的变化范围可以达到19μm，这极大地改变了变形镜的性能。测试结果表明透射率极高的透明电极的引入并没有引发干涉现象，透明电极周边的小孔的设计极大改善了发射镜的频率响应特性。

Claims (7)

1.可变形反射镜，它包括驱动电极和硅膜，硅膜(6)为镜面，其特征在于：驱动电极(7)位于硅膜(6)的下方，驱动电极(7)与硅膜(6)之间的间距为35-45μm；硅膜(6)的上方设有透明电极(5)，透明电极(5)与硅膜(6)之间的间距为65-75μm；硅膜(6)的边缘与镜面支架(8)相固定，透明电极(5)的边缘与镜面支架(8)相粘接，驱动电极(7)由支撑柱(9)与镜面支架(8)相粘接。

2.根据权利要求1所述的可变形反射镜，其特征在于：所述的驱动电极(7)的阵列中电极的个数为32-300。

3.根据权利要求1所述的可变形反射镜，其特征在于：所述的硅膜的下表面溅射有一层0.5μm厚的铝膜。

4.根据权利要求1所述的可变形反射镜，其特征在于：所述的硅膜的厚度为10μm。

5.根据权利要求1所述的可变形反射镜，其特征在于：所述的透明电极靠近边缘部位设有通风孔。

6.根据权利要求1所述的可变形反射镜，其特征在于：所述的透明电极主要由Borofloat玻璃、增透膜和氧化铟锡层构成，Borofloat玻璃的上面覆盖一层增透膜，Borofloat玻璃的下表面溅射一层氧化铟锡层。

7.根据权利要求6所述的可变形反射镜，其特征在于：所述的Borofloat玻璃的厚度为170μm、直径为17mm；增透膜的厚度为100nm；氧化铟锡层的直径为14mm。

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