基于微机电系统技术的分立式微变形镜

　　1　引言

　　变形镜作为一种常见的波前校正器,是自适应光学系统中重要的组成部分。近年来,采用微机电系统技术实现变形镜的微型化和集成化成为自适应光学技术发展的新方向,已经研制出了不同类型的微小变形镜。连续薄膜式和分立式是微变形镜的两种主要形式。连续薄膜式微变形镜,其镜面是由致动器阵列控制的厚度很小的柔性薄膜;分立式微变形镜,其镜面则是由大量独立运动的小镜面单元以阵列形式组合而成的。目前得到实际应用的基于MEMS技术的变形镜都是连续薄膜式微变形镜,如由Boston大学在DARPA资助下研制的具有12×12致动器阵列,2μm最大变形量的微变形镜[1]是我国中科院光电技术研究所研制并已成功用于人眼视网膜成像自适应光学系统的微变形镜[2]。连续薄膜式微变形镜具有100%填充率和大变形量等优点,但其发展和应用存在以下3个瓶颈:①谐振频率低、响应速度慢;②驱动电压高;③驱动器间存在“交连”。当连续薄膜式变形镜用于波前校正时,由于要考虑驱动器之间的影响函数,其控制算法相当复杂。

　　立式微变形镜的发展目前尚处于初级阶段,但是其各单元独立运动,控制算法简单,单元质量轻,谐振频率高,响应速度快,驱动电压低,功耗低,利于实现自适应光学系统高速低功耗校正;其采用与半导体工艺相兼容的MEMS表面牺牲层工艺[4, 5]制造,有利于实现与波前传感器和波前重构电路的单片集成,在星载相机和医疗高分辨成像方面有着广泛的应用前景,已成为国内外微变形镜研究的新方向和热点。

　　本文构建了分立式微变形镜的面形函数,并以符合柯尔莫哥洛夫湍流统计理论的大气随机波前作为被校正对象,对不同单元排列方式分立式微变形镜的自适应光学性能进行了模拟仿真;进而给出了分立式微变形镜在单元数量、控制电极、释放孔、弹性支撑梁和寻址线等方面的结构、版图设计准则;最后,成功制造了一种方形排列37单元分立式微变形镜的原型样件,完成了样件的光学质量测试和静态性能测试。

　　2　器件原理

　　分立式微变形镜的工作原理如图1所示。变形镜的镜面是由很多镜面单元组合而成的阵列,每个镜面单元都有自己独立的控制器,波前重构电路根据波前传感器测得的波前畸变给各镜面单元的控制器发送控制信号,使镜面单元垂直于阵列做纵向运动,实现面形的可控改变,对波前的相位进行调制。本研究的分立式微变形镜采用由镜面单元下方的控制电极(下电极)和镜面单元(上电极)组成的平板电容式静电力驱动器作为控制器,通过在控制电极和镜面单元之间施加电压产生的静电引力驱动镜面作纵向运动。