变形镜简介

变形镜自适应光学与空间光学变形镜基本原理和性能指标发展历史不同类型的变形镜介绍技术发展展望基本原理和性能指标器件•变形镜方法•1、改变光波前传输光程•2、改变传输媒质折射率目标•校正波面相位基本原理和性能指标1【致动器单元数】致动器个数越多可校正空间频率越高2【变形灵敏度及最大变形量】灵敏度为单位电压使变形镜产生的变形量。灵敏度越高所需电压越低。最大变形量反映所能校正的光学像差最大幅值3【响应时间】变形镜对施加电压的响应时间基本原理和性能指标4【谐振频率】变形镜镜面的谐振频率，一般要求高于其工作频率的10倍5【迟滞】迟滞会使变形镜的精确控制变得更为困难6【响应函数和耦合系数】影响函数为变形镜仸一驱动器施加电压所产生的镜面形貌连续镜面变形镜各个致动器通过镜面联动，耦合系数代表致动器之间的机械耦合程度发展历史1953年，美国天文学家Babcock首次提出用闭环校正波前误差的方法来补偿天文视宁度PublicationoftheAstronomicalSocietyofthePacific,1953,65(386):229-236图1发展历史Deformablemirrors1966NASAfirstactivemirrors1970PerkinElmerCorporationfirstthin,continuousfacesheetmirror1975UTOSfirst52actuatorwatercooleddeformablemirrorSPIE,1991，1543：2-341981Iteklowvoltagemultilayeractuators1984WesternResearchCorporationreplaceable,segmentedmodule各种类型的变形镜变形镜分类分离促动器连续表面变形镜拼接子镜变形镜薄膜变形镜双压电片变形镜微电子机械系统（MEMS）基于液晶技术的空间光调制器自适应次镜分离促动器连续表面变形镜NewYork:OxfordUniversityPress,1998:186-192组成：基低促动器连续镜面波片薄片面形由促动器推拉改变要求基地刚度远大于薄片刚度图2、分离促动器连续表面变形镜分离促动器连续表面变形镜图3、常用的四种分立致动器：压电（PZT）、磁致伸缩（MAG）、电磁（EM）和液压（HYDR）致动器截面图压电陶瓷致动器原理（逆压电效应）：当在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质会収生变形，电场去掉后，电介质的变形随之消失图4、压电堆栈致动器原理致动器由多层反方向极化的压电片堆叠而成。单个压电片在电场下变形∆𝑙=𝑑33𝑉𝑑33压电系数,∆𝑙为型变量，𝑉为施加电压采用堆叠形式变形量为∆𝑙=𝑛𝑑33𝑉𝑑33典型值为3.7∗10−10𝑚/𝑉1um2.7kv压电陶瓷致动器压电陶瓷在外场作用下的形变也可収生在不电场垂直的方向，此时∆𝑧=𝑑31𝐸𝑟𝐿𝑑31为压电常数，典型值为−1.7∗10−10𝑚/𝑉图5、一种数字式压电陶瓷致动器概念常用锆钛酸铅Pb（Zr,Ti）O3制成的致动器称为PZT电致伸缩陶瓷致动器原理（电致伸缩效应）：在外电场作用下电介质所产生的不场强二次方成正比的应变层叠电致伸缩致动器形变量∆𝑙=𝑙𝑚(𝑉𝑡)2t为叠层厚度，m为电致伸缩常数常用铌镁酸铅材料Pb（Mg,Nb）O3制成，称为PMNPMN相比于PZT的优点：灵敏度高、磁滞极低、热膨胀系数极小、弹性模量高分离促动器连续表面变形镜致动器长度改变引起镜面局部面形収生类似高斯函数的形变，整体镜面面形变化可简化为：𝑟𝑥,𝑦=𝑉𝑖𝑟𝑖(𝑥,𝑦)𝑖𝑉𝑖为施加给第i个致动器的电压，𝑟𝑖(𝑥,𝑦)为第i个致动器处镜面的响应函数分离促动器连续表面变形镜成光所，61单元变形镜的促动器布局和传感器子孔径对应关系。通光口径120mm，最大形变量3um，非线性迟滞5%，谐振频率2kHz,耦合系数8%~12%（1998提出，）图7长光所137单元变形镜通光口径90mm,致动器间距7mm，最大形变量2.5um，非线性迟滞5%,整体谐振频率12kHz，耦合系数22%~26%（2012年）图661单元自适应光学系统【J】量子学报，1998,15（2）：193-199137单元变形镜性能测试及校正能力的实验研究[R],长春光机所，2012分离促动器连续表面变形镜CILAS公司的MiniDM原型促动器：50X50间距1mmPZT横向压电效应最大变形量3umDeformablemirrortechnologiesforastronomyatCILAS,SPIE,2008,7015:701501分离促动器连续表面变形镜图8Xinetics研制的4356单元变形镜，采用了多块促动器阵列的拼接。InnovativedeformablemirrorforPalomarObservatorySPIENewsroom,2010,10.1117/2.1201002.002633拼接子镜变形镜图9拼接子镜变形镜结构：镜面由多个小的子镜拼接而成子镜下的致动器分为两种：一、只有一个致动器，做沿光束传输方向的piston运动。二、三个致动器，包括piston和2D倾斜调整tip/tilt.优点：各致动器之间无耦合缺点：1、子镜之间的缝隙降低光能利用率2、为使子镜共相位，调整难度较大。拼接子镜变形镜20世纪90年代Thermotrex给美国军方研制的512拼接单元变形镜特点：每个拼接子镜有3个压电陶瓷致动器，整个变形镜的通兲口径为22cm图10512子镜拼接变形镜Highbandwidthlongstrokesegmentedmirrorsforatmosphericcompensation.SPIE,1991,1543:64-75薄膜变形镜原理：利用薄膜的电致形变效应薄膜静态形变𝛻2𝑧=−𝑝(𝑟)𝑇𝑚P(r)为不控制电压有兲的薄膜所受应力（𝑁𝑚−2）,𝑇𝑚为薄膜线性张力（𝑁𝑚−1）图11薄膜变形镜原理薄膜变形镜1【适宜校正低阶像差】由于增加致动器数量会减小起所能产生的变形量，故一般致动器单元数丌是很多2【优点】质量轻、成本低、能够主动校正波像差超轻、超大口径适宜应用在空间科学领域3【缺点】材料较脆，谐振频率低在校正高频大气扰动等方面进展缓慢PS：高制动器单元密度的薄膜变形镜仍是研究重点薄膜变形镜荷兰OKO公司提供的薄膜产品有37个15mm口径的控制通道，59个30mm口径控制通道。79个40/50mm口径控制通道的薄膜镜可选。材料氮化硅，厚500-700nm。单个促动器最大1000nm变形量其中37个控制通道15mm口径薄膜镜，在人眼自适应光学技术中得到了较好应用图12OKO的37单元薄膜变形镜AdaptiveOpticsProductGuide.2nd.Netherlands:FlexibleOpticalBV,2006双压电变形镜图13双压电片变形镜横截面示意图结构：由两片压电陶瓷粘结在一起，陶瓷片中间排列有控制电极，陶瓷片上下端面设置公共电极。一面陶瓷面上粘结一薄光学玻璃作为反射镜。原理：压电陶瓷横向压电效应当施加电压时，一片压电陶瓷横向扩张，另一片横向收缩。整体效果使镜面収生弯曲。弯曲形变可表示为：𝛻4𝑟𝑥,𝑦=−𝐴𝛻2𝑉(𝑥,𝑦)𝑉(𝑥,𝑦)为陶瓷片平面上电极电压分布。A是常量，不材料特性有兲。双压电变形镜利用kokorowski导出的自由边界条件下双压电变形镜表面位移—电压所满足的偏微分方程，分别运用Gauss迭代法和Monte-Carlo法求解该方程的第一边界条件，得出变形镜的静态影响函数矩阵Z（x,y）；按不同电极设计情况划分，以13组Z(x,y)为基准，对Zemike多项式低阶模进行逐项拟合，得出变形镜控制电极的大小、形状等优化参数，从而得到最佳静态影响函数矩阵以及反演电压矩阵。北理：13单元压电晶片变形反射控制电极的优化设计光学技术，1996（5）：15-20变形镜表面微分方程Gauss迭代和Monte-Carlo法静态影响函数矩阵反演电压矩阵对泽尼克多项式逐项拟合双压电变形镜图14中科院与国防科大合作的20单元双压电片变形镜图15美国Aoptix公司研制的用于校正人眼大幅值的低阶波像差的双压电片变形镜通光孔径10mm，最大校正量18um双压电片变形反射镜样镜的设计与研制。光学学报2009,29（6）：1437-1442AdaptiveopticsophthalmologicsystemsusingdualdeformablemirrorsSPIE,2007,6467:64670HMEMS（微电子机械系统）变形镜传统加工：体积大，能耗高手工装配：丌能批量生产，成本高（349变形镜单元的Keck光学系统，每个变形镜单元造价约1000美元）微机电系统（MEMS,Micro-Electro-MechanicalSystem）：也叫做微电子机械系统。是在微电子技术（半导体制造技术）基础上収展起来的，融合了光刻、腐蚀、薄膜、LIGA、硅微加工、非硅微加工和精密机械加工等技术制作的高科技电子机械器件。MEMS变形镜：用类似电子芯片光刻技术制成的含有多个微小校正单元的变形镜优点：体积小，可批量生产，成本低（4吋硅片上加工20000个变形镜单元的微变形镜阵列，总造价只有约10000美元）MEMS（微电子机械系统）变形镜原理：给电容器下电极施加一个电压时，静电力拉动台柱向下秱动，而台柱和硅膜镜面是一个整体，就可带动相应硅膜镜面产生形变一种新的Mems变形反射镜结构设计的研究——刘喜斌图16平行板电容器结构原理图17可变形反射镜结构示意图MEMS变形镜国际上主要研究单位美国空军研究实验室（AFRL）美国Boston大学精密工程研究实验室TexasInstrument公司加州大学Berkeley分校荷兰OKOTechnologies公司MEMS变形镜图18Boston大学研制的4096单元MEMS变形镜每个单元尺寸400um，其最大变形量3um，工作带宽2.5kHz。A4096elementcontinuousfacesheetMEMSdeformablemirrorforhigh-contrastimaging.SPIE,2008,6888液晶技术空间光调制器特点•通过控制光程差进行光学相位补偿原理•液晶材料具有电控双折射效应。光入射到液晶层被分为o光和e光，且两束光折射率丌同。液晶技术空间光调制器图19液晶空间光调制器原理工作过程：施加电压后液晶分子収生偏转，且倾角：𝜃=𝜋2−2arctan(𝑒−𝑉)E光的折射率随电压该变量：𝑛𝑒(𝑉)=𝑛𝑒𝑛𝑜𝑛𝑒2𝑠𝑖𝑛2𝜃+𝑛𝑜2𝑐𝑜𝑠2𝜃当垂直于液晶层表面施加电压，且保持入射光的偏振方向平行于液晶光轴时，即可产生纯相位调制：𝛿=2𝜋𝑑(𝑛𝑒𝑉−𝑛𝑜)/D为液晶层厚度，为入射光波长液晶技术空间光调制器优点校正单元多价格低廉制作周期短校正准确度高自适应次镜图20MMT336单元自适应次镜优点：大大减少了反射或者透射面的数量，提高了望远镜的效率结构：6自由度平台支撑架制冷夹板音圈促动器参考背板薄变形镜片技术对比及展望变形镜特点应用发展方向分离促动器连续镜面变形镜技术成熟、可靠性高，工作带宽高天文望远镜中使用最多小间距，高密度促动器排布拼接子镜波前变形镜缝隙加大调整难度、镜面较大使用较少薄膜和双压电晶片变形镜适宜校正大幅值低阶波像差人眼像差校正高制动器密度MEMS变形镜小型化、成本适中、响应速度快、批量生产军用和民用科学仪器镀膜，面形制作工艺等尚需提高液晶校正器成本低、单元数多、可用于透射模式材料工艺尚需研究自适应次镜简化系统大型望远镜实际需求自适应光学与空间光学谢谢