變形鏡，又稱變形反射鏡（DM）洲守，變形鏡主要運(yùn)用于各種自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)之中梗醇，主要用于校正波前畸變知允，變形鏡由很多驅(qū)動單元組合
而成叙谨，每個驅(qū)動單元都有自己獨(dú)立的控制器，在外加電壓控制下，變形鏡的鏡面可以產(chǎn)生需要的形變量涤垫，從而對波前像差進(jìn)行調(diào)制。變
形鏡在自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)中起著極其重要的作用蝠猬，是自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)中的重要部件之一。DM的指標(biāo)參數(shù)關(guān)系到整個自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的校
正能力和校正精度榆芦。微變形反射鏡式可以根據(jù)波前調(diào)制的需要改變表面面形柄粹，從而糾正波前相位畸變歧杏，根據(jù)反射面的不同變形鏡可分為
連續(xù)表面型和分立表面兩種類型
變形鏡早期發(fā)展
H.W.Babcock 在1953 年首先提出了自適應(yīng)光學(xué)的概念，其主要方法就是在光瞳面放置一個光學(xué)“校正器”凯力，并且通過實(shí)時控制來改變這個校正器的面形來補(bǔ)償大氣引入的像差茵瘾。Babcock 的開創(chuàng)性論述中所提出的光學(xué)校正器叫做“Ediophor”，設(shè)想用一層薄的反射層覆蓋在一層油膜上面拗秘，然后在油膜上面施加電荷祈惶，靜電力使油膜根據(jù)電荷的空間分布產(chǎn)生相應(yīng)的厚度變化雕旨，從而對入射的光線產(chǎn)生光程調(diào)制捧请，這就是變形鏡的原型，如圖1疹蛉。
圖1 巴布科克提出的變形鏡原理
但在當(dāng)時的技術(shù)條件下沒能真正實(shí)現(xiàn)這樣的結(jié)構(gòu)。之后隨著激光技術(shù)的發(fā)明和應(yīng)用以及軍事研究的刺激可款，變形鏡的技術(shù)得以迅速發(fā)展育韩，這也直接推動了自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)的發(fā)展闺鲸。在美國軍方合同的支持下筋讨，Itek 公司的J.W.Hardy 等人于1974年發(fā)明了整體式壓電驅(qū)動變形鏡用于空間目標(biāo)觀測系統(tǒng)悉罕。1984年，Itek 公司與Bell 公司航空事業(yè)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(yuǎn)距離傳輸蛮粮。美國UnitedTechnologies 研究中心在20世紀(jì)70年代中期研制成功了一系列用于高能激光的變形鏡益缎。20世紀(jì)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 計劃使用莺奔。進(jìn)入90 年代以后到現(xiàn)在以變形鏡為代表的波前校正器件更是蓬勃發(fā)展变泄、種類繁多令哟。
傳統(tǒng)變形鏡
基本上所有類型的傳統(tǒng)變形鏡都是用驅(qū)動器產(chǎn)生一個力來推動薄的反射鏡面妨蛹。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(chǎn)生有很多種不同的方法蛙卤，但應(yīng)用最多狠半、最成功的是壓電效應(yīng)和電致伸縮效應(yīng)等颤难。區(qū)分各種變形鏡的基本要素有兩個：驅(qū)動器和鏡面。按照這樣的方式可將變形鏡大致分為幾類已日，見下表。
分立表面變形鏡 | 分立式驅(qū)動器 | 單自由度 （Piston） |
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多自由度 (Piston&Tip/Tilt） |
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連續(xù)表面變形鏡 |
分立式驅(qū)動器 | 垂直驅(qū)動 |
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彎矩驅(qū)動器 | ez | ||
整體式驅(qū)動器 |
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最常用的一類變形鏡是連續(xù)鏡面分立式驅(qū)動器類型栅屏，典型結(jié)構(gòu)如圖2。整個結(jié)構(gòu)分三個主要部分：基底栈雳、驅(qū)動器、薄鏡面甫恩∧婕茫基底由剛度較高的材料構(gòu)成磺箕，主要作用是支撐整個變形鏡的結(jié)構(gòu)并且在工作過程中作為固定基板。單個驅(qū)動器可以由壓電材料或電致伸縮材料疊片組成抛虫，很多個這樣的驅(qū)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(xué)玻璃建椰、硅、金屬等。驅(qū)動器將電能轉(zhuǎn)換為垂直方向上的位移屠列，從而推動其上的鏡面啦逆。不同的驅(qū)動器加上不同的電壓就能夠使鏡面產(chǎn)生各種復(fù)雜的變形笛洛。
圖2 連續(xù)鏡面分立式驅(qū)動器變形鏡結(jié)構(gòu)
傳統(tǒng)變形鏡的驅(qū)動技術(shù)
一般自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的波前相位調(diào)制量達(dá)到幾個微米，而且要求調(diào)制精度在納米級苛让。傳統(tǒng)的機(jī)械式調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)難以滿足這樣的要求。所以從巴布科克提出自適應(yīng)光學(xué)的理論以來就沒有再考慮機(jī)械式的結(jié)構(gòu)狱杰，倒是各種功能材料很快便被引入到變形鏡的研制中來瘦材。
1．壓電材料驅(qū)動器
當(dāng)對壓電材料施加壓力時仿畸，材料體內(nèi)的電偶極矩會因外力的壓縮而變短食棕，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(chǎn)生等量的正負(fù)電荷宣蠕，這種由于應(yīng)變而產(chǎn)生電極化的現(xiàn)象稱為“正壓電效應(yīng)”。它實(shí)質(zhì)上是將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的過程抢蚀。當(dāng)在壓電材料表面施加電場時，材料內(nèi)的電偶極矩會因電場的作用而被拉長镰禾，壓電材料為抵抗變化皿曲，也會沿著電場方向伸長吴侦，這種通過電場作用而產(chǎn)生形變的過程則被稱為“逆壓電效應(yīng)”。逆壓電效應(yīng)實(shí)質(zhì)上是將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的過程备韧。
壓電材料可以分成壓電單晶體、壓電多晶體（壓電陶瓷）织堂、壓電聚合物和壓電復(fù)合材料四種叠艳，其中壓電陶瓷的應(yīng)用是最廣泛的易阳。最早被發(fā)現(xiàn)具有壓電性質(zhì)是鈦酸鋇附较，但是由于純的鈦酸鋇燒結(jié)難度較大拒课，并且在居里點(diǎn)（120℃左右）附近有相變發(fā)生徐勃，即使改變其摻雜特性，其壓電性仍然不是太高僻肖。1950年左右發(fā)明的鋯鈦酸鉛（LeadZirconate Titanate，PZT）則是迄今為止使用最多的壓電陶瓷檐涝，也是最早用作為變形鏡驅(qū)動器的材料。如今很大一類的變形鏡的驅(qū)動器陣列還在使用PZT法挨，只是各個材料的組份和特性稍有不同谁榜。
壓電陶瓷驅(qū)動器就是利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)進(jìn)行工作的凡纳，即給壓電陶瓷施加外電壓，則會沿極化方向產(chǎn)生形變荐糜。圖3所示，壓電層疊驅(qū)動器結(jié)構(gòu)暴氏。
圖3 壓電層疊驅(qū)動器結(jié)構(gòu)
2. 電致伸縮材料驅(qū)動器
另一種與壓電陶瓷驅(qū)動器類似的是電致伸縮驅(qū)動器延塑。電致伸縮是一種應(yīng)力答渔、應(yīng)變與電場二次項(xiàng)相關(guān)的非線性現(xiàn)象关带，亦稱電致伸縮效應(yīng)（electrostrictive effect）宋雏。它在所有的電介質(zhì)中都具有，不論是非壓電晶體還是壓電晶體务豺，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(zhì)。對于一些高介電性的壓電材料以及溫度略高于居里點(diǎn)的鐵電材料而言笼沥，電致伸縮效應(yīng)較為明顯蚪燕。我們通常把具有明顯的電致伸縮效應(yīng)特性的材料稱之為電致伸縮材料奔浅。
電致伸縮材料可以分為陶瓷和聚合物電致伸縮材料兩種馆纳，馳豫鐵電陶瓷電致伸縮材料的伸縮系數(shù)通常為l0-6 量級乘凸，在較低的驅(qū)動場強(qiáng)下可以獲得較大的形變量累榜，因此對其材料特性的研究已獲得廣泛開展灵嫌，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(shù)通常為10-8 量級葛作，因此需要較高的驅(qū)動場強(qiáng)寿羞，現(xiàn)階段還不適合作為波前校正器的驅(qū)動器材料绪穆。實(shí)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)虱岂、摻鑭鋯鈦酸鉛（PLZT，也稱透明壓電陶瓷)第岖、摻鋇鋯鈦酸鉛(PBZT)等系統(tǒng)。
3. 磁致伸縮材料驅(qū)動器
極高的磁致伸縮性能使其在海洋工程的水聲聲納方面已經(jīng)完全超越了壓電陶瓷材料蔑滓。但如果要作為變形鏡的驅(qū)動器的話其結(jié)構(gòu)要稍顯復(fù)雜郊酒，如圖4。而且磁致伸縮原理本質(zhì)上磁場和機(jī)械耦合關(guān)系比較復(fù)雜键袱，不利于驅(qū)動器的線性化輸出控制。
圖4 磁致伸縮材料驅(qū)動器結(jié)構(gòu)示意圖
4. 靜電驅(qū)動的薄膜變形鏡
1976年褐健，Perkin-Elmer公司的M.Yellin等人發(fā)明了用薄膜作為鏡面，靜電力驅(qū)動的變形鏡澜汤，如圖5所示铝量。這是變形鏡領(lǐng)域的一個突破，相比傳統(tǒng)的壓電變形鏡工藝簡化慢叨，造價明顯降低务蝠，只是薄膜制備工藝和裝配過程還是需要技巧拍谐。
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(gòu)成的雙壓電片結(jié)構(gòu)（Bimorph）作為驅(qū)動器在1960年就已經(jīng)廣為使用馏段，但一般制作成長條狀的懸臂梁結(jié)構(gòu)，如圖6所示院喜。相比于其它類型的變形鏡，雙壓電變形鏡的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單喷舀、變形量大砍濒，可以做到中等口徑。雙壓電片的制造工藝要比層疊驅(qū)動器的變形鏡簡單爸邢，不用制成成排的驅(qū)動器樊卓，只需將兩片壓電材料薄片上層積上一定的電極圖形杠河，然后粘接并在這個三明治結(jié)構(gòu)的兩面都沉積公共電極碌尔，最后再在兩面都粘上一層光學(xué)平板券敌。
圖6 早期Bimorph變形鏡結(jié)構(gòu)示意圖
6. 音圈電機(jī)的變形鏡
音圈電機(jī)（Voice Coil）因其結(jié)構(gòu)類似于喇叭的音圈而得名，具有高頻響颈走、高精度的特點(diǎn)。依據(jù)安培力原理咱士，通電導(dǎo)體放在磁場中就會產(chǎn)生力立由，而力的大小取決于磁場強(qiáng)度和電流，以及磁場和電流的方向锐膜。如圖7所示弛房，其基本原理是一個薄鏡面“懸浮”于一個由一系列音圈驅(qū)動器產(chǎn)生的磁場上面道盏。這個薄鏡面背面粘結(jié)與音圈驅(qū)動器對應(yīng)的永磁體文捶，所以能夠被磁場支撐起來荷逞。音圈驅(qū)動器固定在一個較厚的金屬圓盤上粹排，這個圓盤同事還作為散熱器帶走音圈驅(qū)動器所產(chǎn)生的熱量。當(dāng)電流通過音圈時就會產(chǎn)生一個局部磁場顽耳，磁場對鏡面背部的磁鐵施加力推動鏡面產(chǎn)生變形。為了精確控制鏡面的位置射富，每一個驅(qū)動器上都有一個電容傳感器膝迎，它實(shí)時測量區(qū)域內(nèi)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(shù)的微變形鏡
MEMS 技術(shù)具有許多吸引人的特性：這種器件的尺寸在微米量級限次，便于儀器小型化；可以用集成電路工藝制作卖漫，易于批量生產(chǎn)费尽，價格便宜；容易制成多陣列元件懊亡；產(chǎn)品性能重復(fù)性好乎串，成品率高√居基于MEMS技術(shù)的各種傳感器和微機(jī)械成為當(dāng)時的研究熱點(diǎn)鸯两，如圖8示。
圖8 Miller最初的MEMS靜電變形鏡原理圖
根據(jù)鏡面分類长豁，與傳統(tǒng)變形鏡類似，MEMS變形鏡也可以分為連續(xù)鏡面和分立式鏡面MEMS變形鏡兩類钝侠。根據(jù)驅(qū)動方式分類，MEMS變形鏡的微驅(qū)動器技術(shù)主要有靜電驅(qū)動酸舍、電磁驅(qū)動兩種帅韧。
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