專利名稱：單壓電片變形鏡及其制造方法
技術領域：
本發(fā)明屬于自適應光學領域，涉及一種單壓電片變形鏡及其制造方法。
背景技術：
變形鏡在自適應光學系統(tǒng)中作為一種波前校正器，通過調整自身的面形實現對光路中畸變波前的校正，從而提高成像分辨率。自適應光學是近幾十年發(fā)展起來的一種新技術，最先被用在軍事領域及天文領域。隨著自適應光學的發(fā)展，這種技術被應用于視網膜成像、顯微鏡、雙光子激光及高能激光等民用領域。這些應用領域推動著自適應光學系統(tǒng) 向著低成本的方向發(fā)展。傳統(tǒng)的壓電堆棧式變形鏡主要為天文學成像設計，其體積大成本高。目前一些基于微系統(tǒng)技術(MEMS)的靜電式變形鏡以其能夠批量化生產降低成本而被廣泛研究，但是由于靜電力驅動這種驅動方式變形量小而受到一定的制約。雙壓電片變形鏡和單壓電片變形鏡具有變形量大、適合于校正低階像差及制作簡單等優(yōu)點適用于上述這些民用領域。雙壓電片變形鏡和單壓電片變形鏡屬于同一類型的變形鏡，其區(qū)別在于雙壓電片變形鏡由兩層驅動層驅動，單壓電片變形鏡由單層驅動層驅動。文獻(Comparativeanalysis of deformable mirrors for ocular adaptive optics， Optics Express13(11),4275-4285,2005)比較了幾種不同類型商用變形鏡在視網膜成像中的校正能力，指出雙壓電片變形鏡以其大變形量而具有最佳校正性能。美國專利US 6，464，364 B2公開了 AOptix公司的一種雙壓電片變形鏡，由兩片壓電陶瓷或電致伸縮材料粘接而成，其中一片的外表面經過拋光鍍反射層作為光學表面，同時也作為產生離焦的驅動層，另一片外表面圖形化出分立電極陣列作為校正高階像差的驅動層。由于普通壓電陶瓷材料質地松脆很難制作出高質量的光學表面，這種結構變形鏡的制作受到一定的限制。文獻(Monomorph large aperture adaptive optics for highpeak-powerfemtosecond lasers, Proc. of SPIE Vol. 6584,658405, 2007)指出單壓電變形鏡可以消除印痕(print through)現象，比雙壓電片變形鏡具有更好的光學表面，更適用于激光的光束校正。美國專利US 2006/0103956 Al公開了一種混合結構的變形鏡，將單壓電片變形鏡安裝在一個壓電堆棧致動器陣列上，致動器陣列使單壓電片變形鏡鏡面產生簡單的變形校正低階像差，而單壓電片變形鏡的變形則用來校正高階像差。但這種變形鏡由于增加了校正低階像差的致動器陣列使結構比較復雜，同時需要制作相應的固定裝置，這些都不利于變形鏡的低成本和小型化。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的旨在至少解決現有技術中的上述問題之一。為此，本發(fā)明的實施例提出一種小型化、低成本并且具有大變形量的單壓電片變形鏡及其制造方法，實現對低階像差的校正，為視網膜成像及激光光束整形提供一種結構緊湊的低成本波前校正器。根據本發(fā)明的一個方面，本發(fā)明實施例提出了一種單壓電片變形鏡，所述單壓電片變形鏡包括鏡面層，包括非反光表面和反光表面；帶有上、下電極層的驅動層，其中所述上電極層與所述鏡面層的非反光表面連接，所述下電極層被圖形化為處于外圍的外電極和處于中間部分的內電極；其中所述外電極用于校正離焦像差，所述內電極用于校正多階像差。根據本發(fā)明進一步的實施例，所述外電極為環(huán)形電極，以及所述內電極為分立電極陣列。所述分立電極陣列的排列形式為六邊形陣列或環(huán)形陣列。根據本發(fā)明進一步的實施例，還包括覆蓋在所述鏡面層的反光表面上的金屬反射 層。根據本發(fā)明的另一方面，本發(fā)明的實施例提出一種單壓電片變形鏡的制造方法，所述方法包括a)提供包括非反光表面和反光表面的鏡面層；b)將所述鏡面層與帶有上、下電極層的驅動層進行連接，其中所述鏡面層的非反光表面與所述驅動層的上電極層連接；以及c)對所述驅動層的下電極層進行圖形化，以得到處于外圍的外電極和處于中間部分的內電極，其中所述外電極用于校正離焦像差，所述內電極用于校正多階像差。根據本發(fā)明進一步的實施例，所述外電極為環(huán)形電極，以及所述內電極為分立電極陣列。所述分立電極陣列的排列形式為六邊形陣列或環(huán)形陣列。根據本發(fā)明進一步的實施例，還包括在所述鏡面層的反光表面上覆蓋金屬反射層的步驟。本發(fā)明的單壓電片變形鏡通過外電極校正離焦，內電極陣列校正多階像差的方式，使變形鏡具有更大的變形量，校正性能更佳。本發(fā)明的單壓電片變形鏡具有結構簡單、工藝簡單、成本低等優(yōu)點。本發(fā)明的單壓電片變形鏡的外電極與內電極陣列集中在一層驅動層上，結構緊湊，具有輕量化的優(yōu)點。本發(fā)明的單壓電片變形鏡的除上電極層的公共電極外，其余電極都在變形鏡的背面，可以直接與電路板相連，便于實現電氣連接及封裝。本發(fā)明附加的方面和優(yōu)點將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本發(fā)明的實踐了解到。


本發(fā)明的上述和/或附加的方面和優(yōu)點從下面結合附圖對實施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中圖I為本發(fā)明實施例的單壓電片變形鏡的制備方法流程圖；圖2為本發(fā)明實施例的單壓電片變形鏡的結構示意圖；圖3(a) ,3(b)以及3(c)分別為幾種典型實施例的下電極形式及排列方式；圖4(a)和4(b)分別為分立電極和環(huán)形電極加電壓產生的變形示意圖；圖5(a) ,5(b) ,5(c)以及5(d)分別為實測的單壓電片變形鏡所重構的低階像差。
具體實施例方式本發(fā)明通常涉及一種單壓電片變形鏡及其制造方法。下文的公開提供了許多不同的實施例或例子用來實現本發(fā)明的不同結構。為了簡化本發(fā)明的公開，下文中對特定例子的部件和設置進行描述。當然，它們僅僅為示例，并且目的不在于限制本發(fā)明。此外，本發(fā)明可以在不同例子中重復參考數字和/或字母。這種重復是為了簡化和清楚的目的，其本身不指示所討論各種實施例和/或設置之間的關系。此外，本發(fā)明提供了的各種特定的工藝和材料的例子，但是本領域普通技術人員可以意識到其他工藝的可應用于性和/或其他材料的使用。另外，以下描述的第一特征在第二特征之“上”及/或“上方”的結構可以包括第一和第二特征形成為直接接觸的實施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之間的實施例，這樣第一和第二特征可能不是直接接觸。參考圖1，圖I示出了根據本發(fā)明的實施例的單壓電片變形鏡的制備方法流程圖。在步驟101中，首先提供包括非反光表面和反光表面的鏡面層6，參考圖2。鏡面層的材料可以是硅，石英、玻璃或金屬，在一個實施例中，鏡面層可以采用2英寸200微米的單面拋光娃片。然后，在步驟102中，將所述鏡面層6與帶有上、下電極層的驅動層3進行連接，其中鏡面層的非反光表面與驅動層3的上電極層4連接，上電極層4作為公共電極接地。驅動層3的材料可以是壓電材料或電致伸縮材料。在一個實施例中，驅動層可以采用邊長50毫米正方形壓電陶瓷片，厚100微米，雙面鍍銀導電層。具體地，可以是利用絲網印刷方法將膠層5，例如環(huán)氧膠制備到鏡面層6，例如硅片的非反光面表面，然后將帶有上、下電極的驅動層3，例如壓電陶瓷基片貼合到涂有環(huán)氧膠的硅表面，并在壓電陶瓷基片表面施加O. 5MPa的壓力；最后使環(huán)氧膠固化。在步驟103中，對驅動層6的下電極層進行圖形化，以得到處于外圍的外電極I和處于中間部分的內電極2，其中外電極I用于校正離焦像差，內電極2用于校正多階像差。在實施例中，可利用光刻與腐蝕方法制得內、外電極。具體為通過甩膠、曝光、顯影、固化等通用微加工工藝得到帶有所需電極圖形的光刻膠；然后用此光刻膠作為保護膜，通過濕法刻蝕方法(I I硝酸溶液,常溫)刻蝕出內、外電極I和2。在實施例中，圖形化后的外電極I可以為環(huán)形電極，參考圖3(a)到圖3(c);內電極2為分立電極陣列，分立電極陣列的排列形式可以是六邊形陣列，參考圖3 (c);或者環(huán)形陣列，參考圖3(a)和圖3(b)。電極的排布方式影響著變形鏡的校正性能，圖3中僅列出常見的排列結構，實際應用不局限于此。其中對于圖3(a)和圖3(b)所示的不同的分立環(huán)形電極陣列，其排列方式適合校正低階像差。對于圖3(c)所示的六邊形陣列，六邊形排列結構對稱、擴展性好，很容易實現電極數目的增加。另外，分立電極陣列的單元數量與校正性能有關，單元數量越多意味著能夠校正更高階的像差，但數量增加會使變形鏡有效口徑增大。圖3(a)是環(huán)形排列的35個分立電極分布圖，圖3(b)是環(huán)形排列的40個分立電極圖，圖3(c)是六邊形排列的37個分立電極的分布圖。
另外，設置的環(huán)形電極1，加正向電壓產生整體凹變形(在圖2中向下)，用于校正離焦像差；中間部分的分立電極陣列2，加正向電壓產生局部凸變形(如圖2中向上)，可用于校正包括離焦在內的各種像差。參見圖4，圖4(a)是37單元六邊形陣列電極中心電極施加100伏電壓時產生的局部變形，變形鏡直徑40毫米時產生大于5微米的變形量。圖4(b)是環(huán)形電極施加100伏電壓產生的變形鏡整體變形，產生將近40微米的變形，適合校正大幅值的離焦像差。在本發(fā)明實施例中，為了增強反射率，尤其是提高近紅外波段的反射率，還可以進一步在上述步驟得到的單壓片變形鏡的鏡面層6的反光表面上覆蓋金屬反射層7。反射層7可以通過真空蒸發(fā)、電子束鍍膜或磁控濺射等方法鍍在鏡面層6的外表面。例如，沉積200納米的鋁反射膜在硅片的反光面表面。最后，在步驟105中將上述單壓電片變形鏡用環(huán)氧膠粘接到環(huán)形結構的基座上進行固定，例如基座可以是環(huán)形平晶，為石英材料，例如尺寸大小為內徑40毫米，外徑60毫米，厚5毫米?；部梢允遣ＡЩ蚪饘俨牧?。本實例單壓電變形鏡的結構簡單、輕型化，有效校正口徑為15毫米，不帶基座厚度約為300微米。將單壓電片變形鏡的背面的電極焊接到電路板上并封裝起來。
采用本發(fā)明實施例的變形鏡重構的像差如圖5所示，圖5(a)、圖5(b)、圖5(c)和圖5(d)分別代表離焦、象散、慧差和三葉草像差，證明此變形鏡具有較強的低階像差校正能力。本發(fā)明的單壓電片變形鏡，與現有技術相比具有以下突出優(yōu)點I.本發(fā)明的單壓電片變形鏡通過環(huán)形電極校正離焦，分立電極陣列校正多階像差的方式，使變形鏡具有更大的變形量，校正性能更佳。2.本發(fā)明的單壓電片變形鏡具有結構簡單、工藝簡單、成本低等優(yōu)點。3.本發(fā)明的單壓電片變形鏡的環(huán)形電極與分立電極陣列集中在一層驅動層上，結構緊湊，具有輕量化的優(yōu)點。4.本發(fā)明的單壓電片變形鏡的除公共電極外，其余電極都在變形鏡的背面，可以直接與電路板相連，便于實現電氣連接及封裝。綜上可知，本設計變形鏡具有結構簡單、小型化、輕量化、成本低、校正沖程大等優(yōu)點，適合于激光光束整形、視覺成像及顯微鏡像差校正等應用場合。雖然關于示例實施例及其優(yōu)點已經詳細說明，應當理解在不脫離本發(fā)明的精神和所附權利要求限定的保護范圍的情況下，可以對這些實施例進行各種變化、替換和修改。對于其他例子，本領域的普通技術人員應當容易理解在保持本發(fā)明保護范圍內的同時，工藝步驟的次序可以變化。此外，本發(fā)明的應用范圍不局限于說明書中描述的特定實施例的工藝、機構、制造、物質組成、手段、方法及步驟。從本發(fā)明的公開內容，作為本領域的普通技術人員將容易地理解，對于目前已存在或者以后即將開發(fā)出的工藝、機構、制造、物質組成、手段、方法或步驟，其中它們執(zhí)行與本發(fā)明描述的對應實施例大體相同的功能或者獲得大體相同的結果，依照本發(fā)明可以對它們進行應用。因此，本發(fā)明所附權利要求旨在將這些工藝、機構、制造、物質組成、手段、方法或步驟包含在其保護范圍內。
權利要求
1.ー種單壓電片變形鏡，其特征在于，所述單壓電片變形鏡包括 鏡面層，包括非反光表面和反光表面； 帶有上、下電極層的驅動層，其中所述上電極層與所述鏡面層的非反光表面連接，所述下電極層被圖形化為處于外圍的外電極和處于中間部分的內電極；其中 所述外電極用于校正離焦像差，所述內電極用于校正多階像差。
2.如權利要求I所述的單壓電片變形鏡，其特征在于，所述外電極為環(huán)形電極，以及所述內電極為分立電極陣列。
3.如權利要求2所述的單壓電片變形鏡，其特征在于，所述分立電極陣列的排列形式為六邊形陣列或環(huán)形陣列。
4.如權利要求I所述的單壓電片變形鏡，其特征在于，還包括覆蓋在所述鏡面層的反光表面上的金屬反射層。
5.如權利要求I所述的單壓電片變形鏡，其特征在于，所述鏡面層的材料是硅、石英、玻璃或金屬。
6.如權利要求I所述的單壓電片變形鏡，其特征在于，所述驅動層的材料是壓電材料或電致伸縮材料。
7.一種單壓電片變形鏡的制造方法，其特征在于，所述方法包括 a)提供包括非反光表面和反光表面的鏡面層； b)將所述鏡面層與帶有上、下電極層的驅動層進行連接，其中所述鏡面層的非反光表面與所述驅動層的上電極層連接；以及 c)對所述驅動層的下電極層進行圖形化，以得到處于外圍的外電極和處于中間部分的內電極，其中所述外電極用于校正離焦像差，所述內電極用于校正多階像差。
8.如權利要求7所述的制造方法，其特征在于，所述外電極為環(huán)形電極，以及所述內電極為分立電極陣列。
9.如權利要求8所述的制造方法，其特征在于，所述分立電極陣列的排列形式為六邊形陣列或環(huán)形陣列。
10.如權利要求7所述的制造方法，其特征在于，還包括在所述鏡面層的反光表面上覆蓋金屬反射層的步驟。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種單壓電片變形鏡及其制造方法，首先提供包括非反光表面和反光表面的鏡面層；然后將鏡面層與帶有上、下電極層的驅動層進行連接，其中所述鏡面層的非反光表面與所述驅動層的上電極層連接；以及對所述驅動層的下電極層進行圖形化，以得到處于外圍的外電極和處于中間部分的內電極，其中所述外電極用于校正離焦像差，所述內電極用于校正多階像差。本發(fā)明的變形鏡具有結構簡單、小型化、輕量化、成本低、校正沖程大等優(yōu)點。
文檔編號G02B26/06GK102650734SQ20111004666
公開日2012年8月29日 申請日期2011年2月25日 優(yōu)先權日2011年2月25日
發(fā)明者何挺, 劉瑩, 李保慶, 榮皓, 褚家如, 馬劍強 申請人:中國科學技術大學