变形镜道理及分类

变形镜道理及分类



变形镜晚期生长

H.W.Babcock 在1953 年起首提出了自适应光学的观点,其重要要领就是在光瞳面安排一个光学“校订器”,而且经由过程及时掌握去改动这个校订器的面形来赔偿大气引入的像差。Babcock 的开创性叙述中所提出的光学校订器叫做“Ediophor”,假想用一层薄的反射层掩盖在一层油膜上面,然后在油膜上面施加电荷,静电力使油膜凭据电荷的空间散布发生响应的厚度转变,从而对入射的光芒发生光程调制,那就是变形镜的原型,如图1。


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图1 巴布科克提出的变形镜道理


但在事先的手艺条件下出能真正实现如许的构造。以后跟着激光手艺的发现和运用和军事研讨的刺激,变形镜的手艺得以迅速发展,那也间接鞭策了自适应光学手艺的生长。在美国军方条约的支撑下,Itek 公司的J.W.Hardy 等人于1974年发清楚明了整体式压电驱动变形镜用于空间目的观察体系。1984年,Itek 公司取Bell 公司航空奇迹部门协作研制出250单位的电致伸缩冷却硅变形镜用于激光远距离传输。美国UnitedTechnologies 研究中心在20世纪70年月中期研制胜利了一系列用于高能激光的变形镜。20世纪80年月法国Laserdot 公司研制胜利19单元和52单位两种分立式压电变形镜,供应欧洲南边天文台(ESO)的Come-On 和Come-On Plus 企图运用。进入90 年月今后到如今以变形镜为代表的波前校订器件更是兴旺生长、种类繁多。

 
传统变形镜

基本上所有范例的传统变形镜都是用驱动器发生一个力去鞭策薄的反射镜里。镜里能够是一块块分立的小反射镜也能够是一整块薄的反射里;力的发生有许多种差别的要领,但运用最多、最胜利的是压电效应和电致伸缩效应等。辨别种种变形镜的基本要素有两个:驱动器和镜里。根据如许的体式格局可将变形镜大抵分为几类,见下表。







分立外面变形镜

     




 分立式驱动器

    

   单自由度

 (Piston

   

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   多自由度

(Piston&Tip/Tilt

   

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一连外面变形镜

       

 

   分立式驱动器

        

   垂直驱动

   

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       弯矩驱动器

ez

                                     

       整体式驱动器

   

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最常用的一类变形镜是一连镜面分立式驱动器范例,典范构造如图2。全部构造分三个重要局部:基底、驱动器、薄镜面。基底由刚度较下的质料组成,重要感化是支持全部变形镜的构造而且在事情历程中作为流动基板。单个驱动器能够由压电质料或电致伸缩质料叠片构成,许多个如许的驱动器按肯定的空间散布流动在基底上并在其顶端粘接连接镜面。薄镜面的可选质料包孕光学玻璃、硅、金属等。驱动器将电能转换为垂直方向上的位移,从而鞭策其上的镜里。差别的驱动器加上差别的电压便可以或许使镜面发生种种庞大的变形。

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图2 一连镜面分立式驱动器变形镜构造

 

传统变形镜的驱动手艺

一样平常自适应光学系统的波前相位调制量到达几个微米,并且要求调制精度在纳米级。传统的机械式调治机构难以知足如许的要求。以是从巴布科克提出自适应光学的实际以来便没有再思索机械式的构造,却是种种功用质料很快便被引入到变形镜的研制中去。

1.压电质料驱动器

当对压电质料施加压力时,质料体内的电偶极矩会果外力的紧缩而变短,此时压电质料为反抗那转变会在质料的相对的两个表面上发生等量的正负电荷,这类因为应变而发生电极化的征象称为“正压电效应”。它实质上是将机械能转换为电能的历程。当在压电质料外面施加电场时,质料内的电偶极矩会果电场的感化而被拉长,压电质料为反抗转变,也会沿着电场偏向伸长,这类经由过程电场感化而发生形变的历程则被称为“顺压电效应”。顺压电效应实质上是将电能转化为机械能的历程。

压电质料能够分红压电单晶体、压电多晶体(压电陶瓷)、压电聚合物和压电复合材料四种,个中压电陶瓷的运用是最普遍的。最早被发明具有压电性子是钛酸钡,然则因为纯的钛酸钡烧结难度较大,而且在居里点(120℃阁下)四周有相变发作,纵然改动其搀杂特性,其压电性仍旧不是太下。1950年阁下发现的锆钛酸铅(LeadZirconate Titanate,PZT)则是迄今为止运用最多的压电陶瓷,也是最早用作为变形镜驱动器的质料。现在很大一类的变形镜的驱动器阵列借在运用PZT,只是各个质料的组份和特性稍有差别。

压电陶瓷驱动器就是应用压电陶瓷的顺压电效应停止事情的,即给压电陶瓷施加外电压,则会沿极化偏向发生形变。图3所示,压电层叠驱动器构造。

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图3 压电层叠驱动器构造

2. 电致伸缩质料驱动器

另一种取压电陶瓷驱动器相似的是电致伸缩驱动器。电致伸缩是一种应力、应变取电场二次项相干的非线性征象,亦称电致伸缩效应(electrostrictive effect)。它在所有的电介质中都具有,岂论黑白压电晶体照样压电晶体,以至一些散氨基甲酸乙酯类的高分子聚合物和钙钛矿类陶瓷材料也具有本类性子。关于一些高介电性的压电质料和温度略高于居里点的铁电质料而言,电致伸缩效应较为显着。我们一般把具有显着的电致伸缩效应特性的质料称之为电致伸缩质料。

电致伸缩质料能够分为陶瓷和聚合物电致伸缩质料两种,驰豫铁电陶瓷电致伸缩质料的伸缩系数一般为l0-6 量级,在较低的驱动场强下可以获得较大的形变量,因而对其质料特性的研讨已得到普遍展开,其特性已为人所熟知。而聚合物电致伸缩质料的电致伸缩系数一般为10-8 量级,因而需求较下的驱动场强,现阶段借不适合作为波前校订器的驱动器质料。适用的弛豫铁电型电致伸缩陶瓷重要有铌镁酸铅(PMN)、铌镁酸铅一钛酸铅(PMN-PT)、掺镧锆钛酸铅(PLZT,也称通明压电陶瓷)、掺钡锆钛酸铅(PBZT)等体系。

3. 磁致伸缩质料驱动器

极高的磁致伸缩机能使其在海洋工程的火声声纳方面曾经完整逾越了压电陶瓷材料。但若是要作为变形镜的驱动器的话其构造要稍显庞大,如图4。并且磁致伸缩道理本质上磁场和机器耦合干系对照庞大,不利于驱动器的线性化输出掌握。

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图4 磁致伸缩质料驱动器构造示意图

4. 静电驱动的薄膜变形镜

1976年,Perkin-Elmer公司的M.Yellin等人发清楚明了用薄膜作为镜里,静电力驱动的变形镜,如图5所示。那是变形镜范畴的一个打破,比拟传统的压电变形镜工艺简化,造价显着低落,只是薄膜制备工艺和装配历程照样需求技能。

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图5 薄膜变形镜的道理及电极示意图

5. 单压电片变形镜

由压电陶瓷片组成的单压电片构造(Bimorph)作为驱动器在1960年便曾经广为运用,但一样平常建造生长条状的悬臂梁构造,如图6所示。比拟于别的范例的变形镜,单压电变形镜的长处是构造简朴、变形量大,能够做到中等口径。单压电片的制造工艺要比层叠驱动器的变形镜简朴,不消制成成排的驱动器,只需将两片压电质料薄片上层积上肯定的电极图形,然后粘接并在这个三明治构造的两面皆堆积大众电极,最初再在两面皆粘上一层光学平板。

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图6 晚期Bimorph变形镜构造示意图

6. 音圈机电的变形镜

音圈机电(Voice Coil)果其构造类似于喇叭的音圈而得名,具有高频响、高精度的特性。根据安培力道理,通电导体放在磁场中就会产生力,而力的巨细取决于磁场强度和电流,和磁场和电流的偏向。如图7所示,其基本原理是一个薄镜面“悬浮”于一个由一系列音圈驱动器发生的磁场上面。这个薄镜面后头粘结取音圈驱动器对应的永磁体,以是可以或许被磁场支持起来。音圈驱动器流动在一个较薄的金属圆盘上,这个圆盘同事借作为散热器带走音圈驱动器所发生的热量。当电流经由过程音圈时就会发生一个部分磁场,磁场对镜里背部的磁铁施加力推动镜面发生变形。为了准确掌握镜里的位置,每个驱动器上都有一个电容传感器,它及时丈量区域内镜里后头取参考里的间隔。

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图7 音圈电极道理示意图

 
基于MEMS 手艺的微变形镜

MEMS 手艺具有很多吸引人的特性:这类器件的尺寸在微米量级,便于仪器小型化;能够用集成电路工艺建造,易于批量消费,价格便宜;轻易制成多阵列元件;产物机能重复性好,成品率下。基于MEMS手艺的种种传感器和微机械成为事先的研讨热点,如图8示。

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图8  Miller最后的MEMS静电变形镜原理图

 
凭据镜里分类,取传统变形镜相似,MEMS变形镜也能够分为一连镜里和分立式镜里MEMS变形镜两类。凭据驱动体式格局分类,MEMS变形镜的微驱动器手艺重要有静电驱动、电磁驱动两种。