自適應(yīng)光學(xué)波前校正器技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

林旭東 ，薛 陳，劉欣悅，王建立，衛(wèi)沛鋒

(1.中國(guó)科學(xué)院 長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林 長(zhǎng)春130033;2.中國(guó)西南電子設(shè)備研究所，四川 成都610036)

1 引 言

1953 年，美國(guó)天文學(xué)家Babcock 發(fā)表論文［1］首次提出用閉環(huán)校正波前誤差的方法來(lái)補(bǔ)償天文視寧度，此方法成為了自適應(yīng)光學(xué)的創(chuàng)始設(shè)想。自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)是以光學(xué)波前為控制對(duì)象的自動(dòng)控制系統(tǒng)，利用對(duì)光學(xué)波前的實(shí)時(shí)測(cè)量校正，使光學(xué)系統(tǒng)具有自動(dòng)適應(yīng)外界條件變化，始終保持良好工作狀態(tài)的能力。

自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)包含3 個(gè)主要組成部分: 波前傳感器、計(jì)算控制處理器和波前校正器。波前傳感器用于測(cè)量光瞳面位置的光學(xué)像差，有Shack-Hartmann 傳感器［2］、Pyramid 傳感器［3］、曲率傳感技術(shù)［4］和剪切干涉技術(shù)［5］等多種實(shí)現(xiàn)形式。計(jì)算控制處理器把波前傳感器的輸出實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)化為波前校正器的輸入。根據(jù)波前處理實(shí)時(shí)性的要求，計(jì)算控制單元有不同的構(gòu)建模式［6-9］。波前校正器在光路中一般與波前傳感器成共軛位置關(guān)系，它能夠主動(dòng)產(chǎn)生一個(gè)面形以補(bǔ)償所測(cè)得的波前誤差。目前，市場(chǎng)上已經(jīng)能夠買到一些波前校正器，但是，由于其在自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)中的重要性，針對(duì)不同應(yīng)用需求的新型波前校正器仍然是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)，也是本文的關(guān)注點(diǎn)。

波前校正器通過(guò)改變光波前傳輸?shù)墓獬袒蚋淖儌鬏斆浇榈恼凵渎蕘?lái)改變?nèi)肷涔獠ㄇ暗南辔唤Y(jié)構(gòu)，從而達(dá)到對(duì)波面相位進(jìn)行校正的目的。大多數(shù)波前校正器是通過(guò)改變自身鏡面的面形( 即改變光程差) 實(shí)現(xiàn)對(duì)波面相位的校正，而其它如基于液晶技術(shù)的器件是通過(guò)改變折射率的方法對(duì)波面相位進(jìn)行校正的［10］。一般要求波前校正器有足夠多的空間自由度，能夠很好地?cái)M合所要校正的波像差，而且響應(yīng)速度應(yīng)遠(yuǎn)超過(guò)擾動(dòng)波前的時(shí)間改變頻率［11］。當(dāng)然，波前校正器的線性度、校正量、實(shí)現(xiàn)的難易程度、成本等因素也是考慮的要點(diǎn)。

目前，波前校正器主要有分離促動(dòng)器連續(xù)表面變形鏡、拼接子鏡變形鏡、薄膜變形鏡、雙壓電片變形鏡、微電子機(jī)械系統(tǒng)( MEMS) 變形鏡、基于液晶技術(shù)的空間光調(diào)制器及自適應(yīng)次鏡。20 世紀(jì)90 年代之前，波前校正器( 主要是變形鏡) 的研究進(jìn)展已在文獻(xiàn)［12］中詳細(xì)介紹。本文主要綜述了各波前校正器的最新進(jìn)展，介紹了各校正器的基本原理，分析了研制技術(shù)難點(diǎn)和現(xiàn)狀，以及應(yīng)用發(fā)展趨勢(shì)。

2 各波前校正器基本原理及技術(shù)現(xiàn)狀

2．1 分離促動(dòng)器連續(xù)鏡面變形鏡

這種變形鏡的基本結(jié)構(gòu)如圖1 所示，它主要由3 個(gè)部件組成: 基底、促動(dòng)器和連續(xù)鏡面薄片。薄片面形由促動(dòng)器的推拉改變。要求基底的剛度遠(yuǎn)大于薄鏡片的剛度，這樣，促動(dòng)器的推拉運(yùn)動(dòng)效果就會(huì)大部分地在薄鏡片上面反應(yīng)出來(lái)，文獻(xiàn)［13］中詳細(xì)介紹了這種變形鏡的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

圖1 分離促動(dòng)器連續(xù)表面變形鏡的基本構(gòu)成Fig.1 Main construction of deformable mirror with discrete actuators and continuous faceplate

2.1.1 分離促動(dòng)器連續(xù)鏡面變形鏡的基本原理

這種變形鏡采用的促動(dòng)器一般由壓電或電致伸縮材料制成，由鋯鈦酸鉛材料Pb( Zr，Ti) O3制成的壓電促動(dòng)器稱為PZT，由鈮鎂酸鉛材料Pb( Mg，Nb) O3制成的電致伸縮促動(dòng)器稱為PMN。當(dāng)給促動(dòng)器施加電壓時(shí)，促動(dòng)器的長(zhǎng)度會(huì)發(fā)生改變，從而引起鏡面的局部面形發(fā)生類似高斯函數(shù)的形變［14］，整體鏡面的面形可以簡(jiǎn)化表示為:

式中:Vi表示給第i個(gè)促動(dòng)器施加的電壓，ri(x，y) 為第i個(gè)促動(dòng)器處鏡面的響應(yīng)函數(shù)。一個(gè)促動(dòng)器作用時(shí)，其相鄰促動(dòng)器位置的鏡面面形也會(huì)發(fā)生變形，其變形量一般為最大變形量的10% ～30%，稱作耦合系數(shù)。響應(yīng)函數(shù)及耦合系數(shù)決定了變形鏡對(duì)像差的校正能力，而它們又由設(shè)計(jì)時(shí)的諸多參數(shù)確定，如薄鏡片的材料與厚度、促動(dòng)器的材料特性、促動(dòng)器排列間距等［15］。

2.1.2 分離促動(dòng)器連續(xù)鏡面變形鏡的技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展

中科院光電技術(shù)研究所已研制成多套自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)［16］。較早的37 單元自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)［17］中，變形鏡采用的就是分離促動(dòng)器連續(xù)鏡面的形式，變形鏡共有55 個(gè)促動(dòng)器，內(nèi)3 圈有37 個(gè)主促動(dòng)器，外圈是18 個(gè)輔助促動(dòng)器，輔助促動(dòng)器用于改善鏡面外圍主促動(dòng)器的響應(yīng)函數(shù)，其上所加電壓是相鄰兩個(gè)主促動(dòng)器電壓的平均值。該變形鏡的通光口徑為100 mm，變形量為±1.5 μm，非線性滯后＜±4%，諧振頻率＞2 kHz。之后研制的61 單元變形鏡［18-19］有61 個(gè)促動(dòng)器，鏡面通光口徑為120 mm，最大變形量為±3 μm，非線性滯后＜5%，諧振頻率＞2 kHz，耦合系數(shù)為8% ～12%，圖2 為61 單元變形鏡的促動(dòng)器與波前傳感器的子孔徑排列對(duì)準(zhǔn)關(guān)系圖。近兩年，他們又研制了127 單元變形鏡，并在望遠(yuǎn)鏡上取得了觀測(cè)效果［20］。

圖2 61 單元變形鏡的促動(dòng)器布局和傳感器子孔徑的對(duì)應(yīng)關(guān)系Fig.2 Relative positions of DM actuators with 61 elements and subapertures of Hartmann sensor

中科院長(zhǎng)春光機(jī)所自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)研究小組成功研制了21、97 和137 單元分離促動(dòng)器連續(xù)鏡面變形鏡［21-23］，圖3 為137 單元變形鏡的促動(dòng)器排列示意圖和變形鏡實(shí)物圖，促動(dòng)器采用低壓PZT 壓電陶瓷材料。137 單元變形鏡通光口徑為90 mm，促動(dòng)器采用13 ×13 的正方形排列方式，促動(dòng)器間距為7 mm，最大變形量為±2.5 μm，相鄰促動(dòng)器位置變形量為3 μm，非線性遲滯＜5%，整體諧振頻率＞12 kHz，耦合系數(shù)為22% ～26%，經(jīng)過(guò)主動(dòng)展平之后全口徑面形優(yōu)于λ/50( λ =632.8 nm) RMS。

圖3 137 單元變形鏡及其促動(dòng)器排列示意圖Fig.3 137-element DM and its actuator arrangement

20 世紀(jì)90 年代后，國(guó)外1 000 單元以下量級(jí)、促動(dòng)器間距在4 ～8 mm 之間的分離促動(dòng)器連續(xù)鏡面變形鏡的技術(shù)已比較成熟，并在大望遠(yuǎn)鏡上得到了應(yīng)用［24-27］，而且有了標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品對(duì)外出售。法國(guó)CILAS 公司的變形鏡大部分采用PZT壓電陶瓷材料，圖4 是其52 單元帶制冷( 用于激光束校正) 的變形鏡［28］，該變形鏡通光口徑為50 mm，促動(dòng)器間距為8 mm，以方形8 ×8 陣列編排，單促動(dòng)器最大變形量為±2.5 μm，非線性遲滯＜5%，諧振頻率＞14 kHz，主動(dòng)展平后面形優(yōu)于10 nm RMS。

圖4 CILAS 公司的52 單元變形鏡Fig.4 52-element deformable mirror of CILAS Company

美國(guó)Xinetics 公司的變形鏡研發(fā)能力也很強(qiáng)，目前已經(jīng)形成促動(dòng)器間距分別為5 和7 mm的兩個(gè)變形鏡產(chǎn)品系列，促動(dòng)器單元數(shù)從幾十單元到接近1 000 單元。該公司變形鏡的促動(dòng)器大多采用PMN 材料，PMN 型促動(dòng)器相對(duì)于PZT 促動(dòng)器的優(yōu)勢(shì)在于非線性遲滯更小、工作壽命更長(zhǎng)，且PMN 型促動(dòng)器所要求的控制電壓也較小。但是，PMN 型促動(dòng)器的響應(yīng)受溫度影響較大，需特殊考慮［29］。文獻(xiàn)［30］介紹了目前使用的3 個(gè)單元數(shù)較多(349、577 和941) 的變形鏡的性能測(cè)試情況，這3 個(gè)變形鏡都是采用分離促動(dòng)器連續(xù)鏡面的形式，促動(dòng)器間距為7 mm，都是PMN 促動(dòng)器。展平后，577 單元變形鏡面形優(yōu)于17 nm RMS，349 和941 單元變形鏡的面形優(yōu)于20 nm RMS。349 單元變形鏡應(yīng)用于Keck 望遠(yuǎn)鏡的自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)中，圖5 是349 單元變形鏡的前后視圖。941 單元變形鏡正用于SOR3.5 望遠(yuǎn)鏡的自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)中［31］。

圖5 Keck 望遠(yuǎn)鏡的349 單元變形鏡Fig.5 349-element deformable mirror used in Keck telescope

圖6 CILAS 公司的MiniDM 原型Fig.6 MiniDM prototype of CILAS company

近年來(lái)，隨著甚大型望遠(yuǎn)鏡的研制和更高分辨率、更高對(duì)比度成像要求的提出，變形鏡的單元數(shù)和面形精度需向更高量級(jí)發(fā)展。由于薄鏡面加工能力的限制，1 000 單元以上量級(jí)的變形鏡促動(dòng)器之間的間距不可能再像之前那么大，否則會(huì)造成薄鏡面直徑過(guò)大，難以加工，需要采用高密促動(dòng)器的加工和制作技術(shù)及鏡面粘接、加工技術(shù)。CILAS 在歐洲南方天文臺(tái)的支持下開(kāi)展了高密度變形鏡的研制［32］，圖6 為其研制的MiniDM 原型，促動(dòng)器為50 ×50 的壓電陶瓷陣列形式( 圖6 左圖所示) ，間距為1 mm，采用PZT 橫向壓電效應(yīng)，促動(dòng)器最大變形量為3 μm。

為了滿足空間日冕觀測(cè)望遠(yuǎn)鏡［33］和行星高分辨率成像望遠(yuǎn)鏡的需要［34］，Xinetics 公司進(jìn)行了1 000 單元以上量級(jí)變形鏡及控制系統(tǒng)的研制。這種單元量級(jí)的變形鏡使用高密度的陶瓷陣列和3D 陶瓷加工技術(shù)。圖7 為高密度陶瓷促動(dòng)器陣列模塊，單元數(shù)為32 ×32，間距為1 mm。圖8為經(jīng)過(guò)拋光和鍍膜之后的高密度變形鏡，促動(dòng)器陣列為42 ×42，間距為1 mm［35］。另外，通過(guò)多塊的高密度陶瓷促動(dòng)器陣列模塊的拼接還可實(shí)現(xiàn)更多單元數(shù)的變形鏡，如Xinetics 給帕洛馬山5.1 m 望遠(yuǎn)鏡研制的4 356 單元變形鏡采用的就是這種形式，圖9 左側(cè)為促動(dòng)器模塊拼接圖片，右側(cè)為實(shí)際的4 356 單元變形鏡［36］。

圖7 促動(dòng)器陣列模塊Fig.7 Actuator array module

圖8 42 mm×42mm 變形鏡Fig.8 42 mm×42 mm deformable mirror

圖9 66 ×66 促動(dòng)器陣列及4356 單元變形鏡Fig.9 66 ×66 actuator array and 4356-element deformable mirror

2．2 拼接子鏡變形鏡

拼接子鏡變形鏡的基本結(jié)構(gòu)如圖10 所示，它的鏡面由多個(gè)小的子鏡拼接而成，每個(gè)子鏡下面由1 個(gè)( 做沿光束傳播方向的piston 運(yùn)動(dòng)) 或3 個(gè)促動(dòng)器( 包括piston 和2D 的傾斜調(diào)整tip/tilt) 進(jìn)行面形調(diào)整。顯而易見(jiàn)，在對(duì)波前校正能力方面每個(gè)子鏡有3 個(gè)促動(dòng)器的校正器好于只有1 個(gè)促動(dòng)器的情況。

圖10 拼接子鏡變形鏡Fig. 10 Fundamental structures of segmented deformable mirror

與連續(xù)鏡面變形鏡不同，拼接子鏡變形鏡每個(gè)子鏡之間有縫隙，縫隙一方面使光能的利用率降低，另一方面又加大了調(diào)整難度，因?yàn)槊績(jī)蓚€(gè)相鄰子鏡的邊緣共相位才能保證有連續(xù)的波前結(jié)構(gòu)［37］，所以在自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)中的實(shí)際應(yīng)用很少。比較典型的拼接子鏡變形鏡是20 世紀(jì)90 年代初Thermotrex 給美國(guó)軍方研制的512 拼接單元變形鏡［38］，如圖11 所示。其中，每個(gè)拼接子鏡有3 個(gè)壓電陶瓷促動(dòng)器，整個(gè)變形鏡的通光口徑為22 cm。

圖11 512 子鏡拼接變形鏡Fig.11 512-segment deformable mirror

針對(duì)甚大型望遠(yuǎn)鏡的特點(diǎn)，主鏡采用拼接形式，口徑為30 ～100 m，文獻(xiàn)［39］設(shè)計(jì)了一套既能校正拼接子鏡之間共相位誤差( 低時(shí)間頻率) ，又能校正高時(shí)空頻率波前像差的自適應(yīng)拼接3 鏡( 為整個(gè)望遠(yuǎn)鏡光路系統(tǒng)中的第3 塊鏡子) 。它利用了前文提到的陶瓷陣列模塊技術(shù)，如圖12 所示。該自適應(yīng)拼接3 鏡的每個(gè)拼接子鏡既可以做piston 和tip/tilt 傾斜調(diào)整，用于相鄰子鏡之間的共相位調(diào)整，又能校正高頻的波前誤差。

圖12 含有傾斜調(diào)整的拼接自適應(yīng)3 鏡Fig. 12 Segmented adaptive tertiary mirror with tilt control

2．3 薄膜變形鏡

2.3.1 薄膜變形鏡的基本原理

文獻(xiàn)［40］第一次提出了利用薄膜的電致形變效應(yīng)來(lái)制作變形鏡的概念。薄膜鏡的形變?cè)砣鐖D13 所示，薄膜自身剛度很小，所以只需很小的力就能使其面形發(fā)生改變，一般用圖示中的電致伸縮促動(dòng)器來(lái)使薄膜發(fā)生形變。薄膜的周圍需要固定支撐，并提供張力使薄膜形成平面。文獻(xiàn)［41］中給出了薄膜鏡的靜態(tài)形變?yōu)?

式中:p(r) 為與控制電壓有關(guān)的薄膜所受應(yīng)力( 單位是Nm-2) ，Tm表示薄膜的線性張力( 單位是Nm-1) 。

由于增加促動(dòng)器的數(shù)量會(huì)減小促動(dòng)器所能產(chǎn)生的變形量，所以薄膜鏡一般做成單元數(shù)不是很多，這樣就有大的校正量適合于校正低階的波像差。

圖13 薄膜鏡的變形原理Fig.13 Deflection principle of membrane mirror

2.3.2 薄膜變形鏡的技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

由于薄膜鏡具有整體質(zhì)量輕、成本低、能夠主動(dòng)校正波像差等優(yōu)點(diǎn)，滿足了空間反射鏡超輕、超大口徑等的要求，在空間科學(xué)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，文獻(xiàn)［42］綜述了空間薄膜鏡的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀。由于薄膜材料較脆、諧振頻率較低等因素的影響，薄膜鏡在自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)的應(yīng)用，特別是在校正高頻的大氣擾動(dòng)等方面發(fā)展緩慢。但是，由于具有一定的優(yōu)點(diǎn)，且隨著新型材料的出現(xiàn)、新工藝的研究，高促動(dòng)器單元密度的薄膜變形鏡仍然是目前的研究熱點(diǎn)［43］。1994 年，日本SUBARU望遠(yuǎn)鏡的自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了一個(gè)薄膜變形反射鏡［44］，圖14 是其設(shè)計(jì)圖，薄膜材料采用硝化纖維，厚為2 μm，直徑為50.8 mm，有效通光口徑為25 mm，面形為0.03λrms，電極促動(dòng)器采用5 ×5 方形排列，間距為 4 mm，控制電壓為(500 ±200) V，真空中諧振頻率為1.6 kHz。

圖14 SUBARU 望遠(yuǎn)鏡薄膜變形鏡設(shè)計(jì)圖Fig. 14 Prototype of membrane deformable mirror of SUBARU telescope

荷蘭OKO 公司目前提供的薄膜鏡產(chǎn)品［45］有37 個(gè)15 mm 口徑的控制通道、59 個(gè)30 mm口徑的控制通道、79 個(gè)40/50 mm 口徑的控制通道的薄膜鏡可選，薄膜材料為氮化硅，厚度為500 ～700 nm，單個(gè)促動(dòng)器最大能產(chǎn)生1 000 nm 的變形量，電極促動(dòng)器為1.8 mm［46］。圖15 為其中的37 個(gè)控制通道15 mm 口徑薄膜鏡，該變形鏡在人眼自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)中得到了較好的應(yīng)用［47-48］。

圖15 OKO 的37 單元薄膜變形鏡Fig.15 37-element membrane deformable mirror produced by OKO

文獻(xiàn)［49］報(bào)道了高峰值功率激光加工中的激光束整形應(yīng)用，評(píng)估了不同材料制成的薄膜鏡的一些不同特性，可以作為薄膜鏡設(shè)計(jì)的參考。

2．4 雙壓電變形鏡

2.4.1 雙壓電變形鏡的基本原理

雙壓電片變形鏡的基本結(jié)構(gòu)如圖16 所示，它由2 片壓電陶瓷片粘接在一起，在2 片壓電陶瓷片中間排列有控制電極，陶瓷片的上下端面設(shè)置有公共電極，在一面陶瓷面上粘接有一薄光學(xué)玻璃片作為反射鏡。雙壓電片變形鏡利用的是壓電陶瓷的橫向壓電效應(yīng)，當(dāng)給控制電極施加電壓時(shí)，其中的一片壓電陶瓷橫向擴(kuò)張，另一片壓電陶瓷橫向收縮，整體作用的效果就是使鏡面在施加電壓的電極位置發(fā)生局部彎曲變形［50］。鏡面的彎曲變形可以表示為:

式中:V(x，y) 為壓電陶瓷片平面上的電極電壓分布，A是一個(gè)常量，與壓電陶瓷片的材料特性有關(guān)。

圖16 雙壓電片變形鏡的橫截面示意圖Fig.16 Cross section of bimorph deformable mirror

2.4.2 雙壓電變形鏡的技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

在國(guó)內(nèi)，北京理工大學(xué)較早開(kāi)始進(jìn)行雙壓電片變形鏡的研究，他們對(duì)自制的13 單元雙壓電片變形鏡的控制電極進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)［51］，并對(duì)變形鏡的主要參數(shù)性能進(jìn)行了測(cè)試［52］。中科院光電技術(shù)研究所和國(guó)防科技大學(xué)合作研制了20 單元雙壓電片變形鏡［53］，并進(jìn)行了性能測(cè)試與應(yīng)用研究［54］，圖17 為其實(shí)物圖。

圖17 20 單元雙壓電片變形鏡Fig.17 20-element bimorph deformable mirror

在國(guó)外，CILAS 為歐洲南方天文臺(tái)研制了多套雙壓電片變形鏡，在自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)中的一個(gè)成功應(yīng)用就是為SUBARU 望遠(yuǎn)鏡研制的188 單元變形鏡，圖18 給出了該變形鏡的實(shí)物圖和電極排布圖，該變形鏡使SUBARU 望遠(yuǎn)鏡達(dá)到了衍射極限［55］。文獻(xiàn)［32］給出了CILAS 研制的雙壓電片變形鏡的性能指標(biāo)及相關(guān)參數(shù)的計(jì)算方法。

圖18 188 單元雙壓電片變形鏡及電極排布圖Fig.18 188-element bimorph deformable mirror and its electrode geometry

受壓電片彎曲形變特性的影響，雙壓電片變形鏡的空間分辨率( 即單元數(shù)) 難以提高，一般就在幾百單元量級(jí)［56］。但是，通過(guò)對(duì)材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等的優(yōu)化，雙壓電片變形鏡的校正量可以做大，從而適用于校正大的低階波像差，如用在人眼的眼底成像［57］和激光光束整形［58］方面。圖19 是一個(gè)由美國(guó)AOptix 公司研制的用于校正人眼較大幅值的低階波像差的雙壓電片變形鏡，其通光口徑為10 mm，促動(dòng)器數(shù)量為37 個(gè)，最大校正量為±18 μm。

圖19 37 單元大行程雙壓電片變形鏡Fig. 19 37-element bimorph deformable mirror with large stroke

2．5 MEMS 變形鏡

2.5.1 MEMS 變形鏡的基本原理

MEMS 是20 世紀(jì)80 年代迅速發(fā)展起來(lái)的一門綜合性新興多學(xué)科交叉技術(shù)。它包括微能源、微驅(qū)動(dòng)器、微傳感器、微控制器和微操作器等，集成于一個(gè)微小的空間，可實(shí)現(xiàn)一種或多種設(shè)定的功能。MEMS 變形鏡就是用類似電子芯片光刻技術(shù)制成的含有多個(gè)微小校正單元的變形鏡。根據(jù)制作方法的不同，MEMS 變形鏡有兩種實(shí)現(xiàn)形式，一種是類似薄膜變形鏡的校正器，如圖20 所示［59］，文獻(xiàn)［60］中介紹了該類型MEMS 校正器的制作過(guò)程; 另一種是表面微機(jī)械加工的校正器［61］，類似分離促動(dòng)器變形鏡，如圖21 所示［62］。

圖20 基于MEMS 技術(shù)的薄膜變形鏡Fig.20 Membrane deformable mirror based on MEMS

圖21 拼接式MEMS 變形鏡Fig.21 MEMS segmented deformable mirror

2.5.2 MEMS 變形鏡的技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

國(guó)際上MEMS 變形鏡的主要研究單位有美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室( AFRL) 、美國(guó)Boston 大學(xué)精密工程研究實(shí)驗(yàn)室( PERL) 、Texas Instrument 公司、加州大學(xué)Berkeley 分校，以及荷蘭的OKO Technologies 公司等。目前，美國(guó)在MEMS 變形鏡方面的研究水平在國(guó)際上處于領(lǐng)先地位。國(guó)內(nèi)在這方面與國(guó)外存在較大差距，清華大學(xué)、華中科技大學(xué)等近10 所大學(xué)和相關(guān)研究所相繼成立了MEMS 研究機(jī)構(gòu)，并在MEMS 基礎(chǔ)上對(duì)加工微型的變形鏡進(jìn)行了一些有益的嘗試，取得了一定的成果［63］。

圖22 為華中科技大學(xué)研制的一種新型的帶透明電極的可變形反射鏡［64］，該變形鏡的最大優(yōu)點(diǎn)就是可以產(chǎn)生兩個(gè)方向的形變，在較小的驅(qū)動(dòng)電壓下能產(chǎn)生-14 μm 的最大形變，也能產(chǎn)生+5 μm的形變，甚至更大，也就是說(shuō)變形鏡的最大變形量可以達(dá)到19 μm。圖23 為Boston 大學(xué)精密工程研究實(shí)驗(yàn)室為Gemini South 望遠(yuǎn)鏡制作的4 096單元MEMS 變形鏡［65］，每個(gè)單元尺寸為400 μm，其最大變形量能夠達(dá)到3 μm，工作帶寬達(dá)到2.5 kHz。

圖22 帶透明電極可變形反射鏡示意圖Fig.22 Schematic drawing of MEMS deformable mirror with transparent electrodes

圖23 波士頓微機(jī)械加工中心研制的4096 單元MEMS 變形鏡Fig.23 4096-element MEMS deformable mirror fabricated by Boston Micromachines Corporation

MEMS 變形鏡在自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)中的應(yīng)用也取得了較好的效果，向東等人利用圖22 中的MEMS 變形鏡構(gòu)建了視網(wǎng)膜成像自適應(yīng)光學(xué)平臺(tái)，對(duì)黃斑中心凹周圍的毛細(xì)血管進(jìn)行了清晰成像［66］。南京航空航天大學(xué)的李邦明等人利用OKO 的37 單元MEMS 變形鏡構(gòu)建了一套視網(wǎng)膜細(xì)胞顯微鏡系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)了對(duì)活體人眼視網(wǎng)膜細(xì)胞成像［67］。文獻(xiàn)［68］介紹了一套基于MEMS 變形鏡的自適應(yīng)光學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，并在望遠(yuǎn)鏡上完成了對(duì)低軌目標(biāo)的較高分辨率成像。

基于MEMS 技術(shù)的變形鏡在國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)的努力下，取得了較好的效果，但是目前還存在一些主要問(wèn)題: ( 1) 靜電驅(qū)動(dòng)pull-in 現(xiàn)象的存在使MEMS 變形鏡的校正行程有限; ( 2) MEMS 工藝犧牲層釋放后的殘余應(yīng)力使變形鏡的初始面形較差;(3) 多單元數(shù)的MEMS 變形鏡需要研究能夠與其有效集成在一起的集成控制電路，傳統(tǒng)的電路板控制將會(huì)很難實(shí)現(xiàn)。這些是深入研究與應(yīng)用MEMS 變形鏡的難點(diǎn)及急需解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

2．6 基于液晶技術(shù)的空間光調(diào)制器

2.6.1 相位調(diào)制的基本原理

前面介紹的波前校正器都是通過(guò)控制光程差進(jìn)行光學(xué)相位補(bǔ)償，而液晶空間光調(diào)制器是通過(guò)控制折射率來(lái)調(diào)制波前相位。這是由于液晶材料具有電控雙折射效應(yīng)，光入射到液晶層，被分為e光和o 光，對(duì)應(yīng)的折射率分別是非尋常光折射率ne和尋常光折射率no。當(dāng)給液晶層施加電壓時(shí)，電場(chǎng)作用下液晶分子會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，且不同電壓對(duì)應(yīng)于不同液晶傾角:

e 光的折射率ne會(huì)隨所加電壓的大小而改變:

當(dāng)垂直于液晶層表面施加電壓，保持入射光的偏振方向平行于液晶光軸時(shí)，液晶空間光調(diào)制器就能夠?qū)θ肷涔猱a(chǎn)生純相位調(diào)制［69］:

式中:d為液晶層厚度，λ 為入射光波長(zhǎng)。

2.6.2 液晶空間光調(diào)制器的技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

液晶空間光調(diào)制器作為一種新型的波前校正器件，具有校正單元多、價(jià)格低廉、制作周期短和校正準(zhǔn)確度高等優(yōu)勢(shì)，目前已成為國(guó)內(nèi)外的研究熱點(diǎn)［70-71］。中科院長(zhǎng)春光機(jī)所對(duì)液晶空間光調(diào)制器及其應(yīng)用進(jìn)行了多方面的研究，利用液晶空間光調(diào)制器搭建了自適應(yīng)光學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，在對(duì)水平大氣擾動(dòng)校正［72-73］、視網(wǎng)膜血管成像［74］和天文目標(biāo)成像［75-76］等多方面取得了較好的成果。文獻(xiàn)［68］中報(bào)道了利用液晶空間光調(diào)制器作為波前校正器實(shí)現(xiàn)了對(duì)國(guó)際空間站的自適應(yīng)光學(xué)校正成像。液晶空間光調(diào)制器應(yīng)用中的主要限制因素是需要偏振光入射、校正頻率低和色散等。隨著科技的發(fā)展，這些問(wèn)題將會(huì)被逐一解決［77］。

2．7 自適應(yīng)次鏡

1998 年，美國(guó)著名的具有6 個(gè)鏡筒的多鏡面望遠(yuǎn)鏡( Multiple Mirror Telescope，MMT) 被改造成為一個(gè)單鏡面6.5 m 口徑的望遠(yuǎn)鏡。2003 年，在這個(gè)望遠(yuǎn)鏡上，一個(gè)新的自適應(yīng)光學(xué)的變形次鏡調(diào)試成功［78］，這是自適應(yīng)光學(xué)變形鏡面的一個(gè)重要進(jìn)展。利用次鏡本身作為變形鏡的最大好處是大大減少了反射或者透射面的數(shù)量，提高了望遠(yuǎn)鏡的效率。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，這個(gè)裝置減少了在其它的自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)中所需要的8 個(gè)鏡面。

圖24 給出了該自適應(yīng)次鏡的結(jié)構(gòu)圖，它由6自由度平臺(tái)、支撐架、制冷夾板、音圈促動(dòng)器、參考背板和薄變形鏡片組成。其中，6 自由度平臺(tái)用于實(shí)現(xiàn)對(duì)次鏡整體的姿態(tài)調(diào)整，支撐架上有電控箱實(shí)現(xiàn)對(duì)鏡面面形的控制，制冷夾板除了用于促動(dòng)器的定位之外，還有水制冷管道用于對(duì)音圈電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)電路的制冷，參考背板用于給薄鏡片提供穩(wěn)定的參考面。與其它的變形鏡面不同，這個(gè)次鏡的變形依靠電磁力來(lái)實(shí)現(xiàn)，在薄鏡面的背后共膠粘著336 個(gè)永磁體，每個(gè)永磁體對(duì)應(yīng)有一個(gè)線圈，構(gòu)成一個(gè)音圈促動(dòng)器，線圈和永磁體的距離為0.2 mm，當(dāng)線圈中加上電流以后，就有力施加在薄鏡面上，實(shí)現(xiàn)對(duì)面形的校正［79］。

圖24 MMT336 單元自適應(yīng)次鏡結(jié)構(gòu)圖Fig.24 Structure diagram of 336-element secondary deformable mirror of MMT

在MMT 的自適應(yīng)次鏡取得成功之后，大雙筒( Large Binocular Telescope，LBT) 望遠(yuǎn)鏡也研制了兩個(gè)672 單元的自適應(yīng)次鏡，并在MMT 次鏡的基礎(chǔ)上進(jìn)行了多方面的改進(jìn)［80］。圖25 為第一個(gè)LBT 自適應(yīng)次鏡［81］。

圖25 672 單元LBT 自適應(yīng)次鏡Fig. 25 672-element deformable secondary mirror of LBT

3 波前校正器技術(shù)發(fā)展展望

波前校正器不僅可作為自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的核心部件，在天文望遠(yuǎn)鏡以及空間對(duì)地詳查相機(jī)上也得到了應(yīng)用，近年來(lái)還成功地在光束凈化、光束整形、激光腔內(nèi)像差校正以及醫(yī)學(xué)人眼像差的檢測(cè)與校正等方面得到了應(yīng)用。

分離促動(dòng)器連續(xù)鏡面變形鏡具有技術(shù)成熟、可靠性高、工作帶寬高等優(yōu)點(diǎn)，目前仍然是天文望遠(yuǎn)鏡自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)中使用最多的波前校正器，而且隨著壓電陶瓷材料及加工工藝的改進(jìn)和提高，目前已經(jīng)能夠研制小促動(dòng)器間距、高密度的促動(dòng)器陣列。歐洲南方天文臺(tái)正在研究利用該技術(shù)實(shí)現(xiàn)40 m 極大望遠(yuǎn)鏡( ELT) 的自適應(yīng)四鏡，而且，基于此主動(dòng)變形校正技術(shù)的空間望遠(yuǎn)鏡也是目前的研究熱點(diǎn)。目前，國(guó)內(nèi)1 000 單元量級(jí)以下的變形鏡技術(shù)上已經(jīng)較為成熟，但是對(duì)于更大口徑望遠(yuǎn)鏡的需求，要求更高密度、口徑更大的變形鏡，就需要在系統(tǒng)集成、薄變形鏡片的加工、陶瓷工藝等方面開(kāi)展進(jìn)一步的研究。

由于拼接子鏡波前變形鏡子鏡之間有縫隙，需要復(fù)雜的共相位調(diào)整，而且單元數(shù)難以做得很多，鏡面較大，目前使用很少。

薄膜和雙壓電晶片變形鏡表面彎曲變形的特性決定了其校正單元數(shù)不能太多，而且薄膜變形鏡受薄膜特性的影響，整體的諧振頻率不能做到很高，所以它們一般適合在寬的空間頻率范圍內(nèi)校正大幅值的低階波像差，例如應(yīng)用在人眼像差校正中。

MEMS 變形鏡由于具備可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的小型化、成本適中、響應(yīng)速度快和能夠批量生產(chǎn)等特點(diǎn)，而在軍用和民用科學(xué)儀器方面具有巨大的潛在市場(chǎng)，而且，MEMS 技術(shù)與電子技術(shù)有很好的兼容性，能夠?qū)崿F(xiàn)高度的技術(shù)集成。但是，MEMS 變形鏡尺寸較小，在很多需要大光學(xué)口徑的系統(tǒng)中應(yīng)用受到限制，而且，現(xiàn)在MEMS 能夠?qū)崿F(xiàn)的鍍膜范圍有限、很難得到好的面形質(zhì)量，另外還存在衍射現(xiàn)象等［46］，這些都暫時(shí)限制了MEMS 變形鏡在自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)中的成熟發(fā)展，非常期待技術(shù)的進(jìn)一步創(chuàng)新。

雖然液晶校正器還存在一些問(wèn)題，但是，目前液晶校正器所取得的一些成果還是很值得肯定的。它的低成本、單元數(shù)較多、可以用于透射模式等特點(diǎn)令人們相信其應(yīng)用會(huì)隨著材料、工藝等技術(shù)的發(fā)展和存在問(wèn)題的逐漸解決而越來(lái)越廣泛。

自適應(yīng)次鏡是針對(duì)大型望遠(yuǎn)鏡的實(shí)際需要而構(gòu)建的系統(tǒng)，涉及大口徑薄非球面鏡面(a/h比達(dá)500) 的加工與面形控制等關(guān)鍵的光學(xué)、機(jī)械及電控技術(shù)。目前，國(guó)外在這方面技術(shù)相對(duì)較為成熟，而且也很好地實(shí)現(xiàn)了其科學(xué)目標(biāo)。但是，國(guó)內(nèi)尚未研制出自適應(yīng)次鏡，需要在薄非球面鏡面加工、穩(wěn)定支撐、促動(dòng)器及電控等方面繼續(xù)研究、實(shí)驗(yàn)，以滿足將來(lái)大型望遠(yuǎn)鏡的可能需求。

綜上所述，波前校正器是自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，其性能的好壞直接影響系統(tǒng)的校正能力。目前，有上述多種校正器得到了實(shí)際的應(yīng)用和驗(yàn)證，并取得了較好的效果，但是，由于各校正器的不同特點(diǎn)決定了它們有各自最適用的系統(tǒng)，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)予與考慮。而且，隨著應(yīng)用需求的進(jìn)一步提升，一方面可以通過(guò)材料、工藝等的技術(shù)進(jìn)步來(lái)提高各波前校正器的技術(shù)性能，另一方面可以通過(guò)不同性能間校正器的相互配合( 例如，校正大幅值低階像差的校正器與校正小幅值高階像差的校正器配合使用等) 來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)要求，而這些都需要在技術(shù)和理論上的進(jìn)一步創(chuàng)新才能實(shí)現(xiàn)。

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