專利名稱：可變形反射鏡的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的變形鏡。
背景技術(shù)：
典型的自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)是使用波前傳感器2探測(cè)入射光波1前畸變，然后通過控制器向波前校正設(shè)備發(fā)出控制信號(hào)，控制鏡面(變形鏡)3的動(dòng)作，使鏡面發(fā)生形變。當(dāng)鏡面形狀與畸變相位滿足相位共軛關(guān)系時(shí)，畸變就會(huì)被抵消掉，從而波前得到恢復(fù)，成像(CCD)4分辨率得到提高。圖1所示是一個(gè)典型的自適應(yīng)光學(xué)結(jié)構(gòu)圖。鏡面變形的能力及頻率特性影響著整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的性能。
變形鏡是自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，美國(guó)Itek公司最先開始研制變形鏡并于1973年研制成功第一塊21單元整體壓電變形鏡。80年代法國(guó)Laserdot公司研制成功52單元分立式壓電變形鏡并提供給歐洲南方天文臺(tái)使用。我國(guó)這方面起步較晚，中科院光電研究所于1986年研制成功19單元分立式壓電變形鏡并馬上應(yīng)用于被譽(yù)為“神光”的核聚變光學(xué)系統(tǒng)，這是世界上首次將變形鏡應(yīng)用于校正激光核聚變光學(xué)系統(tǒng)的波前誤差。
然而傳統(tǒng)的壓電式，電磁式，液壓式等成本高，驅(qū)動(dòng)電壓高，體積大，驅(qū)動(dòng)電極少，變形量小，更主要的缺點(diǎn)通常是只能產(chǎn)生一個(gè)方向的形變。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種校正波前能力強(qiáng)的可變形反射鏡。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是可變形反射鏡，它包括驅(qū)動(dòng)電極和硅膜，其特征在于驅(qū)動(dòng)電極7位于硅膜6的下方，驅(qū)動(dòng)電極7與硅膜6之間的間距為35-45μm；硅膜6的上方設(shè)有透明電極5，透明電極5與硅膜6之間的間距為65-75μm；硅膜6、透明電極5分別與鏡面支架8相固定，驅(qū)動(dòng)電極7由支撐柱9與鏡面支架8固定連接。
所述的驅(qū)動(dòng)電極7的陣列中電極的個(gè)數(shù)為32-300。
本發(fā)明采用硅膜6的上方設(shè)有透明電極5，它能驅(qū)使硅膜6產(chǎn)生靠近或遠(yuǎn)離驅(qū)動(dòng)電極的兩種形變，從而能更好的控制鏡膜的形變，極大地提高校正波前的能力。
本發(fā)明具有如下特點(diǎn)1、硅膜6與驅(qū)動(dòng)電極完全隔離，省去了繁瑣的鍵合過程。
2、引入透明電極后，極大地改善了變型鏡的性能。
3、透明電極的制作中設(shè)計(jì)的小孔把空氣的負(fù)面影響減至最小。
4、采用靜電驅(qū)動(dòng)方式，靜電驅(qū)動(dòng)能耗底而且響應(yīng)頻率高。


圖1是一個(gè)典型的自適應(yīng)光學(xué)結(jié)構(gòu)2是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)原理3是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意4是本發(fā)明的透明電極結(jié)構(gòu)示意5是本發(fā)明的鏡面及鏡面支架加工工藝6是本發(fā)明的鏡面的表面形狀之一7是本發(fā)明的鏡面的表面形狀之二8是本發(fā)明的形變與電壓的關(guān)系曲線9是本發(fā)明的3種不同初始狀態(tài)下電壓與形變的關(guān)系曲線之一10是本發(fā)明的3種不同初始狀態(tài)下電壓與形變的關(guān)系曲線之二中1-入射光波，2-波前傳感器，3-鏡面，4-成像，5-透明電極，6-硅膜，7-驅(qū)動(dòng)電極，8-鏡面支架，9-支撐柱。
具體實(shí)施例方式
如圖2、圖3所示，可變形反射鏡，它包括驅(qū)動(dòng)電極7、透明電極5和硅膜6，驅(qū)動(dòng)電極7位于硅膜6的下方，驅(qū)動(dòng)電極7與硅膜6之間的間距為35-45μm；硅膜6的上方設(shè)有透明電極5，透明電極5與硅膜6之間的間距為65-75μm；硅膜6的邊緣與鏡面支架8相固定(硅膜6與鏡面支架8也可做成一體)，透明電極5的邊緣與鏡面支架8相固定(粘接)，驅(qū)動(dòng)電極7由支撐柱9與鏡面支架8固定連接(粘接)。使用時(shí)，透明電極5位于光的入射方向。
所述的驅(qū)動(dòng)電極7的陣列中電極的個(gè)數(shù)為32-300。
1、可變形反射鏡的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示，透明電極帶的電勢(shì)為VT，硅膜帶的電勢(shì)為VM，下方驅(qū)動(dòng)電極陣列整體電勢(shì)為VA，其中單個(gè)的驅(qū)動(dòng)電極的電勢(shì)為vElectrode。硅膜到透明電極與驅(qū)動(dòng)電極的距離分別為dT，dA。驅(qū)動(dòng)電極陣列的電極個(gè)數(shù)越多，越能更好的控制鏡面的形狀，但由于制作工藝的限制，本發(fā)明采用的驅(qū)動(dòng)電極陣列的電極個(gè)數(shù)為256個(gè)。最終確定的結(jié)構(gòu)是這樣的表1可變形反射鏡的結(jié)構(gòu)

2、可變形反射鏡的制作可變形反射鏡的制作有兩個(gè)關(guān)鍵部分一是制作出相當(dāng)薄的硅膜，這樣硅膜才會(huì)很小的應(yīng)力與韌性更利于硅膜的形變；二是在光的入射方向制作出投射率高的導(dǎo)電的透明電極。
2.1硅膜的制作為了使鏡面獲得良好的表面質(zhì)量及較小的應(yīng)力，選用4inch沒有參雜的絕緣體上硅(SOI)晶片作為主體材料，SOI本身具有復(fù)合結(jié)構(gòu)，如圖5(a)所示，它包含一層10μm厚的硅膜，1μm厚的掩埋氧化層，525μm厚的單晶硅。首先把最上層的單晶硅打磨成250μm的厚度，然后在其上方涂上一層光刻膠為后續(xù)的光刻做準(zhǔn)備，再在SOI的最下方熱氧化生成保護(hù)氧化層如圖5(b)所示。接下來(lái)進(jìn)行第一次光刻與KOH腐蝕，腐蝕的直徑為16mm，深度直到掩埋氧化層，如圖5(c)。第二次光刻與腐蝕確定支撐透明電極架子的高度(70-75μm)、寬度(18mm)，并去掉光刻膠如圖5(d)。接著用7∶1的FH溶液剝離掉硅膜兩側(cè)的氧化層如圖5(e)；硅膜6的厚度為10μm。
最后還需在硅膜的下表面濺射一層0.5μm厚的鋁膜，這樣能使硅膜增加導(dǎo)電性能，又能提高反射率，同時(shí)也能保持硅膜的平整度。鋁膜的應(yīng)力依賴于鋁膜的厚度，同時(shí)溫度的變化也會(huì)對(duì)應(yīng)力產(chǎn)生影響，因此這一道工序是在硅膜與驅(qū)動(dòng)電極鍵合后進(jìn)行的，此后的導(dǎo)線焊接與封裝過程中溫度不會(huì)超過70度。
3.1透明電極的制作透明電極產(chǎn)生的靜電力可以使硅膜產(chǎn)生向上的變形。這里選用Borofloat(浮法硼硅玻璃)玻璃作為主體材料，因?yàn)檫@種材料對(duì)于300-800nm的可見光波反射率特別高，打磨后的厚度為170μm，直徑為17mm。Borofloat玻璃上面覆蓋一層增透膜[沒有特定材料要求，如選用氟化鎂(MgF2)]厚度100nm，Borofloat玻璃下表面濺射一層既能導(dǎo)電又能有很好透光性能的氧化銦錫(ITO)層，氧化銦錫層的厚度沒有特定要求，氧化銦錫層的直徑為14mm。
在透明電極的靠近邊緣部位設(shè)計(jì)出4個(gè)直徑1mm的通風(fēng)孔，這4個(gè)通風(fēng)孔能貫通透明電極兩側(cè)的空氣，這樣就避免了在封裝后空氣阻力對(duì)鏡面響應(yīng)頻率的負(fù)面影響，同時(shí)利用環(huán)氧樹脂粘合劑連接ITO層與外電路導(dǎo)線。此工序可以在這些通風(fēng)孔的內(nèi)壁完成。要做到硅膜與透明電極完全絕緣，透明電極邊緣與鏡面支架接觸的部分不能被ITO覆蓋，如圖4所示，是透明電極的俯視圖。
如圖3所示，驅(qū)動(dòng)電極的上方是用聚酰亞胺做成的支撐柱。硅膜6與驅(qū)動(dòng)電極陣列的距離為35-45μm。直徑為10mm的電極陣列集成著象瓦片一般對(duì)稱平鋪的256個(gè)電極，每個(gè)電極為400μm寬的正方形，電極間的間隔為150μm。
3.2封裝與驅(qū)動(dòng)由于驅(qū)動(dòng)電極陣列與硅膜不接觸，因此省去了復(fù)雜的鍵合過程。組裝完成后驅(qū)動(dòng)電極陣列中256個(gè)電極通過自動(dòng)接線盒與一塊較大面積(4cm2)的陶瓷針狀柵格陣列相連。針狀柵格陣列可以構(gòu)成一個(gè)譯碼電路。16通道16位傳輸線經(jīng)由高壓-D/A轉(zhuǎn)換卡接到電腦。驅(qū)動(dòng)軟件由c++及Tcl編寫。封裝可以在開放的常壓下進(jìn)行。這樣可以通過計(jì)算機(jī)給任意電極加上一定的電壓，透明電極的電壓由另外單獨(dú)連續(xù)可調(diào)的電壓源控制。
4、性能測(cè)試當(dāng)給驅(qū)動(dòng)電極陣列中的不同電極施加一定的電壓時(shí)，鏡面將會(huì)發(fā)生形變。使用邁克爾遜干涉儀和精密微動(dòng)平臺(tái)可以對(duì)鏡面的靜態(tài)性能進(jìn)行測(cè)試，隨著鏡面的形變，邁克爾遜干涉儀出來(lái)的條紋也將發(fā)生變化如圖6、圖7，通過控制支撐鏡面的微動(dòng)平臺(tái)的移動(dòng)，使干涉圖樣恢復(fù)到原位，此時(shí)微動(dòng)平臺(tái)的位移量即變形鏡的變形量。也可以借助于泰曼干涉儀及ZYGO軟件可以獲得硅膜的表面形狀。
4.1初始電壓的確定首先研究初始電壓為多大時(shí)硅膜可以保持水平。由制作工藝可以保證當(dāng)硅膜兩側(cè)電極的電勢(shì)VT、VA為零時(shí)硅膜可以保持水平，只要|VT-VM|與|VA-VM|保持同比例的變化，硅膜也可以保持水平，因此對(duì)單個(gè)電極的最高電壓沒有限制。現(xiàn)在單獨(dú)研究|VT-VM|與形變量(μm)的關(guān)系，此時(shí)VA＝0，VM＝0，他們的關(guān)系曲線如圖8中 所連成的曲線，而VA(VT＝0，VM＝0)與形變的關(guān)系如圖8“○”所連成的曲線。圖8中的縱坐標(biāo)表示形變，橫坐標(biāo)表示電壓?？梢妼?duì)于同樣大小的電壓，透明電極產(chǎn)生向上的形變比驅(qū)動(dòng)電極陣列產(chǎn)生的向下形變要小，而且要想保持硅膜的水平|VT-VM|與|VA-VM|比值應(yīng)為1.70。加在驅(qū)動(dòng)電極陣列上的電壓存在一個(gè)較小的極大值，從圖8上可以看出這個(gè)極值電壓為11伏，對(duì)應(yīng)的硅膜整體最大向下形變量為14μm。當(dāng)電壓大于這個(gè)極值電壓時(shí)硅膜與驅(qū)動(dòng)電極便會(huì)吸在一起。這個(gè)最大的形變量應(yīng)為 從而可以推出dA＝3*14＝42μm?？芍猟T＝1.70*42約為72μm。
從圖8也可以看出當(dāng)只單獨(dú)使用驅(qū)動(dòng)電極時(shí)，一般首先給硅膜施加8.6伏的偏置電壓使硅膜處于-7μm的偏置狀態(tài)，這樣才有可能產(chǎn)生兩個(gè)方向的形變。
4.2中心形變與初始電壓為了測(cè)試變形鏡的靜態(tài)性能，給驅(qū)動(dòng)電極陣列的中心四個(gè)電極施加電壓vElectrode。圖9、圖10畫出了在三種不同初始狀態(tài)下vElectrode與鏡面中心最大形變量之間的關(guān)系。圖形的縱坐標(biāo)表示變型鏡中心處相對(duì)于初始狀態(tài)的形變，向上的形變(靠近透明電極)為正值，向下的形變(遠(yuǎn)離透明電極)為負(fù)值。圖形的橫坐標(biāo)表示中心四個(gè)電極相對(duì)于驅(qū)動(dòng)電極陣列整體的電壓變化量。
圖9、圖10中“*”號(hào)連成的曲線表示vT＝0，vM＝0，vA＝8.6V的初始狀態(tài)，此時(shí)硅膜處于-7μm的偏置狀態(tài)?！?”號(hào)連成的曲線表示|vT-vM|＝17V，|vA-vM|＝10V的初始狀態(tài)，此時(shí)硅膜處于水平初始狀態(tài)?！癵”號(hào)連成的曲線表示|vT-vM|＝13V，|vA-vM|＝22.1V硅膜處于水平的初始狀態(tài)。
由圖9、圖10可知，當(dāng)改變硅膜兩側(cè)的初始電壓，硅膜的形變性能也發(fā)生變化。對(duì)于固定的形變量要求，引入透明電極后所需要ΔVoltage要小得多，從而可知引入透明電極后鏡面更容易發(fā)生形變。結(jié)合圖8可知引入透明電極后，依靠改變初始電壓，可以獲得+5μm的中心最大形變，這比單獨(dú)使用驅(qū)動(dòng)電極獲得的形變要大的多。
變形鏡的動(dòng)態(tài)性能還需要進(jìn)一步測(cè)試?？梢灶A(yù)計(jì)，由于硅膜的很小的應(yīng)力及良好的韌性使得它能滿足一般環(huán)境下頻率的要求。
由以上分析可知在硅膜兩側(cè)電極施加成比例的電壓硅膜可以保持水平。當(dāng)把驅(qū)動(dòng)電極陣列中心四個(gè)電極當(dāng)作一個(gè)整體，施加一定的電壓，這種的帶透明電極的變形鏡在較小的驅(qū)動(dòng)電壓下能產(chǎn)生-14μm的最大形變，也能產(chǎn)生+5μm的形變甚至更大。也就是說(shuō)變形鏡的變化范圍可以達(dá)到19μm，這極大地改變了變形鏡的性能。測(cè)試結(jié)果表明透射率極高的透明電極的引入并沒有引發(fā)干涉現(xiàn)象，透明電極周邊的小孔的設(shè)計(jì)極大改善了發(fā)射鏡的頻率響應(yīng)特性。
權(quán)利要求
1.可變形反射鏡，它包括驅(qū)動(dòng)電極和硅膜，其特征在于驅(qū)動(dòng)電極(7)位于硅膜(6)的下方，驅(qū)動(dòng)電極(7)與硅膜(6)之間的間距為35-45μm；硅膜(6)的上方設(shè)有透明電極(5)，透明電極(5)與硅膜(6)之間的間距為65-75μm；硅膜(6)、透明電極(5)分別與鏡面支架(8)相固定，驅(qū)動(dòng)電極(7)由支撐柱(9)與鏡面支架(8)固定連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可變形反射鏡，其特征在于所述的驅(qū)動(dòng)電極(7)的陣列中電極的個(gè)數(shù)為32-300。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可變形反射鏡，其特征在于所述的硅膜的下表面濺射有一層0.5μm厚的鋁膜。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可變形反射鏡，其特征在于所述的硅膜的厚度為10μm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可變形反射鏡，其特征在于所述的透明電極靠近邊緣部位設(shè)有通風(fēng)孔。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可變形反射鏡，其特征在于所述的透明電極主要由Borofloat玻璃、增透膜和氧化銦錫層構(gòu)成，Borofloat玻璃的上面覆蓋一層增透膜，Borofloat玻璃的下表面濺射一層氧化銦錫層。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的可變形反射鏡，其特征在于所述的Borofloat玻璃的厚度為170μm、直徑為17mm；增透膜的厚度為100nm；氧化銦錫層的直徑為14mm。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的變形鏡?？勺冃畏瓷溏R，它包括驅(qū)動(dòng)電極和硅膜，其特征在于驅(qū)動(dòng)電極(7)位于硅膜(6)的下方，驅(qū)動(dòng)電極(7)與硅膜(6)之間的間距為35－45μm；硅膜(6)的上方設(shè)有透明電極(5)，透明電極(5)與硅膜(6)之間的間距為65－75μm；硅膜(6)、透明電極(5)分別與鏡面支架(8)相固定，驅(qū)動(dòng)電極(7)由支撐柱(9)與鏡面支架(8)固定連接。本發(fā)明采用硅膜(6)的上方設(shè)有透明電極(5)，它能驅(qū)使硅膜(6)產(chǎn)生靠近或遠(yuǎn)離驅(qū)動(dòng)電極的兩種形變，從而能更好地控制鏡膜的形變，極大地提高校正波前的能力。
文檔編號(hào)G02B26/08GK1818739SQ20061001856
公開日2006年8月16日 申請(qǐng)日期2006年3月16日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月16日
發(fā)明者向東, 程永進(jìn), 譚季麓, 李鐵平, 王青玲, 王稀成 申請(qǐng)人:中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)