變形鏡原理及分類

變形鏡早期發展

H.W.Babcock 在1953 年首先提出了自適應光學的概念，其主要方法就是在光瞳面放置一個光學“校正器”，并且通過實時控制來改變這個校正器的面形來補償大氣引入的像差。Babcock 的開創性論述中所提出的光學校正器叫做“Ediophor”，設想用一層薄的反射層覆蓋在一層油膜上面，然后在油膜上面施加電荷，靜電力使油膜根據電荷的空間分布產生相應的厚度變化，從而對入射的光線產生光程調制，這就是變形鏡的原型，如圖1。

圖1 巴布科克提出的變形鏡原理

但在當時的技術條件下沒能真正實現這樣的結構。之后隨著激光技術的發明和應用以及軍事研究的刺激，變形鏡的技術得以迅速發展，這也直接推動了自適應光學技術的發展。在美方合同的支持下，Itek 公司的J.W.Hardy 等人于1974年發明了整體式壓電驅動變形鏡用于空間目標觀測系統。1984年，Itek 公司與Bell 公司航空事業部門合作研制出250單元的電致伸縮冷卻硅變形鏡用于激光遠距離傳輸。美國UnitedTechnologies 研究中心在20世紀70年代中期研制成功了一系列用于高能激光的變形鏡。20世紀80年代法國Laserdot 公司研制成功19單元和52單元兩種分立式壓電變形鏡，提供歐洲南方天文臺（ESO）的Come-On 和Come-On Plus 計劃使用。進入90 年代以后到現在以變形鏡為代表的波前校正器件更是蓬勃發展、種類繁多。

傳統變形鏡

基本上所有類型的傳統變形鏡都是用驅動器產生一個力來推動薄的反射鏡面。鏡面可以是一塊塊分立的小反射鏡也可以是一整塊薄的反射面；力的產生有很多種不同的方法，但應用最多、最成功的是壓電效應和電致伸縮效應等。區分各種變形鏡的基本要素有兩個：驅動器和鏡面。按照這樣的方式可將變形鏡大致分為幾類，見下表。

分立表面變形鏡	分立式驅動器	單自由度 （Piston）
		多自由度 （Piston&Tip/Tilt）
連續表面變形鏡	分立式驅動器	垂直驅動
		彎矩驅動器	ez
	整體式驅動器

的一類變形鏡是連續鏡面分立式驅動器類型，典型結構如圖2。整個結構分三個主要部分：基底、驅動器、薄鏡面。基底由剛度較高的材料構成，主要作用是支撐整個變形鏡的結構并且在工作過程中作為固定基板。單個驅動器可以由壓電材料或電致伸縮材料疊片組成，很多個這樣的驅動器按一定的空間分布固定在基底上并在其頂端粘接連接鏡面。薄鏡面的可選材料包括光學玻璃、硅、金屬等。驅動器將電能轉換為垂直方向上的位移，從而推動其上的鏡面。不同的驅動器加上不同的電壓就能夠使鏡面產生各種復雜的變形。

圖2 連續鏡面分立式驅動器變形鏡結構

傳統變形鏡的驅動技術

一般自適應光學系統的波前相位調制量達到幾個微米，而且要求調制精度在納米級。傳統的機械式調節機構難以滿足這樣的要求。所以從巴布科克提出自適應光學的理論以來就沒有再考慮機械式的結構，倒是各種功能材料很快便被引入到變形鏡的研制中來。

1．壓電材料驅動器

當對壓電材料施加壓力時，材料體內的電偶極矩會因外力的壓縮而變短，此時壓電材料為抵抗這變化會在材料的相對的兩個表面上產生等量的正負電荷，這種由于應變而產生電極化的現象稱為“正壓電效應”。它實質上是將機械能轉換為電能的過程。當在壓電材料表面施加電場時，材料內的電偶極矩會因電場的作用而被拉長，壓電材料為抵抗變化，也會沿著電場方向伸長，這種通過電場作用而產生形變的過程則被稱為“逆壓電效應”。逆壓電效應實質上是將電能轉化為機械能的過程。

壓電材料可以分成壓電單晶體、壓電多晶體（壓電陶瓷）、壓電聚合物和壓電復合材料四種，其中壓電陶瓷的應用是泛的。被發現具有壓電性質是鈦酸鋇，但是由于純的鈦酸鋇燒結難度較大，并且在居里點（120℃左右）附近有相變發生，即使改變其摻雜特性，其壓電性仍然不是太高。1950年左右發明的鋯鈦酸鉛（LeadZirconate Titanate，PZT）則是迄今為止使用最多的壓電陶瓷，也是用作為變形鏡驅動器的材料。如今很大一類的變形鏡的驅動器陣列還在使用PZT，只是各個材料的組份和特性稍有不同。

壓電陶瓷驅動器就是利用壓電陶瓷的逆壓電效應進行工作的，即給壓電陶瓷施加外電壓，則會沿極化方向產生形變。圖3所示，壓電層疊驅動器結構。

圖3 壓電層疊驅動器結構

2. 電致伸縮材料驅動器

另一種與壓電陶瓷驅動器類似的是電致伸縮驅動器。電致伸縮是一種應力、應變與電場二次項相關的非線性現象，亦稱電致伸縮效應（electrostrictive effect）。它在所有的電介質中都具有，不論是非壓電晶體還是壓電晶體，甚至一些聚氨基甲酸乙酯類的高分子聚合物以及鈣鈦礦類陶瓷材料也具有本類性質。對于一些高介電性的壓電材料以及溫度略高于居里點的鐵電材料而言，電致伸縮效應較為明顯。我們通常把具有明顯的電致伸縮效應特性的材料稱之為電致伸縮材料。

電致伸縮材料可以分為陶瓷和聚合物電致伸縮材料兩種，馳豫鐵電陶瓷電致伸縮材料的伸縮系數通常為l0^-6 量級，在較低的驅動場強下可以獲得較大的形變量，因此對其材料特性的研究已獲得廣泛開展，其特性已為人所熟知。而聚合物電致伸縮材料的電致伸縮系數通常為10^-8 量級，因此需要較高的驅動場強，現階段還不適合作為波前校正器的驅動器材料。實用的弛豫鐵電型電致伸縮陶瓷主要有鈮鎂酸鉛(PMN)、鈮鎂酸鉛一鈦酸鉛(PMN-PT)、摻鑭鋯鈦酸鉛（PLZT，也稱透明壓電陶瓷)、摻鋇鋯鈦酸鉛(PBZT)等系統。

3. 磁致伸縮材料驅動器

*的磁致伸縮性能使其在海洋工程的水聲聲納方面已經*超越了壓電陶瓷材料。但如果要作為變形鏡的驅動器的話其結構要稍顯復雜，如圖4。而且磁致伸縮原理本質上磁場和機械耦合關系比較復雜，不利于驅動器的線性化輸出控制。

圖4 磁致伸縮材料驅動器結構示意圖

4. 靜電驅動的薄膜變形鏡

1976年，Perkin-Elmer公司的M.Yellin等人發明了用薄膜作為鏡面，靜電力驅動的變形鏡，如圖5所示。這是變形鏡領域的一個突破，相比傳統的壓電變形鏡工藝簡化，造價明顯降低，只是薄膜制備工藝和裝配過程還是需要技巧。

圖5 薄膜變形鏡的原理及電極示意圖

5. 雙壓電片變形鏡

由壓電陶瓷片構成的雙壓電片結構（Bimorph）作為驅動器在1960年就已經廣為使用，但一般制作成長條狀的懸臂梁結構，如圖6所示。相比于其它類型的變形鏡，雙壓電變形鏡的優點是結構簡單、變形量大，可以做到中等口徑。雙壓電片的制造工藝要比層疊驅動器的變形鏡簡單，不用制成成排的驅動器，只需將兩片壓電材料薄片上層積上一定的電極圖形，然后粘接并在這個三明治結構的兩面都沉積公共電極，最后再在兩面都粘上一層光學平板。

圖6 早期Bimorph變形鏡結構示意圖

6. 音圈電機的變形鏡

音圈電機（Voice Coil）因其結構類似于喇叭的音圈而得名，具有高頻響、高精度的特點。依據安培力原理，通電導體放在磁場中就會產生力，而力的大小取決于磁場強度和電流，以及磁場和電流的方向。如圖7所示，其基本原理是一個薄鏡面“懸浮”于一個由一系列音圈驅動器產生的磁場上面。這個薄鏡面背面粘結與音圈驅動器對應的永磁體，所以能夠被磁場支撐起來。音圈驅動器固定在一個較厚的金屬圓盤上，這個圓盤同事還作為散熱器帶走音圈驅動器所產生的熱量。當電流通過音圈時就會產生一個局部磁場，磁場對鏡面背部的磁鐵施加力推動鏡面產生變形。為了精確控制鏡面的位置，每一個驅動器上都有一個電容傳感器，它實時測量區域內鏡面背面與參考面的距離。

圖7 音圈電極原理示意圖

基于MEMS 技術的微變形鏡

MEMS 技術具有許多吸引人的特性：這種器件的尺寸在微米量級，便于儀器小型化；可以用集成電路工藝制作，易于批量生產，價格便宜；容易制成多陣列元件；產品性能重復性好，成品率高。基于MEMS技術的各種傳感器和微機械成為當時的研究熱點，如圖8示。

圖8 Miller最初的MEMS靜電變形鏡原理圖

根據鏡面分類，與傳統變形鏡類似，MEMS變形鏡也可以分為連續鏡面和分立式鏡面MEMS變形鏡兩類。根據驅動方式分類，MEMS變形鏡的微驅動器技術主要有靜電驅動、電磁驅動兩種。