CN102650734A - 单压电片变形镜及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单压电片变形镜及其制造方法，首先提供包括非反光表面和反光表面的镜面层；然后将镜面层与带有上、下电极层的驱动层进行连接，其中所述镜面层的非反光表面与所述驱动层的上电极层连接；以及对所述驱动层的下电极层进行图形化，以得到处于外围的外电极和处于中间部分的内电极，其中所述外电极用于校正离焦像差，所述内电极用于校正多阶像差。本发明的变形镜具有结构简单、小型化、轻量化、成本低、校正冲程大等优点。

Description

单压电片变形镜及其制造方法

技术领域

本发明属于自适应光学领域，涉及一种单压电片变形镜及其制造方法。

背景技术

变形镜在自适应光学系统中作为一种波前校正器，通过调整自身的面形实现对光路中畸变波前的校正，从而提高成像分辨率。自适应光学是近几十年发展起来的一种新技术，最先被用在军事领域及天文领域。随着自适应光学的发展，这种技术被应用于视网膜成像、显微镜、双光子激光及高能激光等民用领域。这些应用领域推动着自适应光学系统向着低成本的方向发展。传统的压电堆栈式变形镜主要为天文学成像设计，其体积大成本高。目前一些基于微系统技术(MEMS)的静电式变形镜以其能够批量化生产降低成本而被广泛研究，但是由于静电力驱动这种驱动方式变形量小而受到一定的制约。双压电片变形镜和单压电片变形镜具有变形量大、适合于校正低阶像差及制作简单等优点适用于上述这些民用领域。双压电片变形镜和单压电片变形镜属于同一类型的变形镜，其区别在于双压电片变形镜由两层驱动层驱动，单压电片变形镜由单层驱动层驱动。文献(Comparative analysis of deformable mirrors for ocular adaptive optics，Optics Express 13(11)，4275-4285，2005)比较了几种不同类型商用变形镜在视网膜成像中的校正能力，指出双压电片变形镜以其大变形量而具有最佳校正性能。

美国专利US 6,464,364 B2公开了AOptix公司的一种双压电片变形镜，由两片压电陶瓷或电致伸缩材料粘接而成，其中一片的外表面经过抛光镀反射层作为光学表面，同时也作为产生离焦的驱动层，另一片外表面图形化出分立电极阵列作为校正高阶像差的驱动层。由于普通压电陶瓷材料质地松脆很难制作出高质量的光学表面，这种结构变形镜的制作受到一定的限制。文献(Monomorph large aperture adaptive optics for high peak-powerfemtosecond lasers，Proc.of SPIE Vol.6584，658405，2007)指出单压电变形镜可以消除印痕(print through)现象，比双压电片变形镜具有更好的光学表面，更适用于激光的光束校正。美国专利US 2006/0103956 A1公开了一种混合结构的变形镜，将单压电片变形镜安装在一个压电堆栈致动器阵列上，致动器阵列使单压电片变形镜镜面产生简单的变形校正低阶像差，而单压电片变形镜的变形则用来校正高阶像差。但这种变形镜由于增加了校正低阶像差的致动器阵列使结构比较复杂，同时需要制作相应的固定装置，这些都不利于变形镜的低成本和小型化。

发明内容

本发明的目的旨在至少解决现有技术中的上述问题之一。

为此，本发明的实施例提出一种小型化、低成本并且具有大变形量的单压电片变形镜及其制造方法，实现对低阶像差的校正，为视网膜成像及激光光束整形提供一种结构紧凑的低成本波前校正器。

根据本发明的一个方面，本发明实施例提出了一种单压电片变形镜，所述单压电片变形镜包括：镜面层，包括非反光表面和反光表面；带有上、下电极层的驱动层，其中所述上电极层与所述镜面层的非反光表面连接，所述下电极层被图形化为处于外围的外电极和处于中间部分的内电极；其中所述外电极用于校正离焦像差，所述内电极用于校正多阶像差。

根据本发明进一步的实施例，所述外电极为环形电极，以及所述内电极为分立电极阵列。所述分立电极阵列的排列形式为六边形阵列或环形阵列。

根据本发明进一步的实施例，还包括覆盖在所述镜面层的反光表面上的金属反射层。

根据本发明的另一方面，本发明的实施例提出一种单压电片变形镜的制造方法，所述方法包括：a)提供包括非反光表面和反光表面的镜面层；b)将所述镜面层与带有上、下电极层的驱动层进行连接，其中所述镜面层的非反光表面与所述驱动层的上电极层连接；以及c)对所述驱动层的下电极层进行图形化，以得到处于外围的外电极和处于中间部分的内电极，其中所述外电极用于校正离焦像差，所述内电极用于校正多阶像差。

根据本发明进一步的实施例，所述外电极为环形电极，以及所述内电极为分立电极阵列。所述分立电极阵列的排列形式为六边形阵列或环形阵列。

根据本发明进一步的实施例，还包括在所述镜面层的反光表面上覆盖金属反射层的步骤。

本发明的单压电片变形镜通过外电极校正离焦，内电极阵列校正多阶像差的方式，使变形镜具有更大的变形量，校正性能更佳。

本发明的单压电片变形镜具有结构简单、工艺简单、成本低等优点。

本发明的单压电片变形镜的外电极与内电极阵列集中在一层驱动层上，结构紧凑，具有轻量化的优点。

本发明的单压电片变形镜的除上电极层的公共电极外，其余电极都在变形镜的背面，可以直接与电路板相连，便于实现电气连接及封装。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本发明实施例的单压电片变形镜的制备方法流程图；

图2为本发明实施例的单压电片变形镜的结构示意图；

图3(a)、3(b)以及3(c)分别为几种典型实施例的下电极形式及排列方式；

图4(a)和4(b)分别为分立电极和环形电极加电压产生的变形示意图；

图5(a)、5(b)、5(c)以及5(d)分别为实测的单压电片变形镜所重构的低阶像差。

具体实施方式

本发明通常涉及一种单压电片变形镜及其制造方法。下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的可应用于性和/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”的结构可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。

参考图1，图1示出了根据本发明的实施例的单压电片变形镜的制备方法流程图。在步骤101中，首先提供包括非反光表面和反光表面的镜面层6，参考图2。镜面层的材料可以是硅，石英、玻璃或金属，在一个实施例中，镜面层可以采用2英寸200微米的单面抛光硅片。

然后，在步骤102中，将所述镜面层6与带有上、下电极层的驱动层3进行连接，其中镜面层的非反光表面与驱动层3的上电极层4连接，上电极层4作为公共电极接地。

驱动层3的材料可以是压电材料或电致伸缩材料。在一个实施例中，驱动层可以采用边长50毫米正方形压电陶瓷片，厚100微米，双面镀银导电层。

具体地，可以是利用丝网印刷方法将胶层5，例如环氧胶制备到镜面层6，例如硅片的非反光面表面，然后将带有上、下电极的驱动层3，例如压电陶瓷基片贴合到涂有环氧胶的硅表面，并在压电陶瓷基片表面施加0.5MPa的压力；最后使环氧胶固化。

在步骤103中，对驱动层6的下电极层进行图形化，以得到处于外围的外电极1和处于中间部分的内电极2，其中外电极1用于校正离焦像差，内电极2用于校正多阶像差。

在实施例中，可利用光刻与腐蚀方法制得内、外电极。具体为通过甩胶、曝光、显影、固化等通用微加工工艺得到带有所需电极图形的光刻胶；然后用此光刻胶作为保护膜，通过湿法刻蚀方法(1∶1硝酸溶液，常温)刻蚀出内、外电极1和2。

在实施例中，图形化后的外电极1可以为环形电极，参考图3(a)到图3(c)；内电极2为分立电极阵列，分立电极阵列的排列形式可以是六边形阵列，参考图3(c)；或者环形阵列，参考图3(a)和图3(b)。

电极的排布方式影响着变形镜的校正性能，图3中仅列出常见的排列结构，实际应用不局限于此。其中对于图3(a)和图3(b)所示的不同的分立环形电极阵列，其排列方式适合校正低阶像差。对于图3(c)所示的六边形阵列，六边形排列结构对称、扩展性好，很容易实现电极数目的增加。

另外，分立电极阵列的单元数量与校正性能有关，单元数量越多意味着能够校正更高阶的像差，但数量增加会使变形镜有效口径增大。

图3(a)是环形排列的35个分立电极分布图，图3(b)是环形排列的40个分立电极图，图3(c)是六边形排列的37个分立电极的分布图。

另外，设置的环形电极1，加正向电压产生整体凹变形(在图2中向下)，用于校正离焦像差；中间部分的分立电极阵列2，加正向电压产生局部凸变形(如图2中向上)，可用于校正包括离焦在内的各种像差。

参见图4，图4(a)是37单元六边形阵列电极中心电极施加100伏电压时产生的局部变形，变形镜直径40毫米时产生大于5微米的变形量。图4(b)是环形电极施加100伏电压产生的变形镜整体变形，产生将近40微米的变形，适合校正大幅值的离焦像差。

在本发明实施例中，为了增强反射率，尤其是提高近红外波段的反射率，还可以进一步在上述步骤得到的单压片变形镜的镜面层6的反光表面上覆盖金属反射层7。反射层7可以通过真空蒸发、电子束镀膜或磁控溅射等方法镀在镜面层6的外表面。例如，沉积200纳米的铝反射膜在硅片的反光面表面。

最后，在步骤105中将上述单压电片变形镜用环氧胶粘接到环形结构的基座上进行固定，例如基座可以是环形平晶，为石英材料，例如尺寸大小为内径40毫米，外径60毫米，厚5毫米。基座也可以是玻璃或金属材料。

本实例单压电变形镜的结构简单、轻型化，有效校正口径为15毫米，不带基座厚度约为300微米。将单压电片变形镜的背面的电极焊接到电路板上并封装起来。

采用本发明实施例的变形镜重构的像差如图5所示，图5(a)、图5(b)、图5(c)和图5(d)分别代表离焦、象散、慧差和三叶草像差，证明此变形镜具有较强的低阶像差校正能力。

本发明的单压电片变形镜，与现有技术相比具有以下突出优点：

1.本发明的单压电片变形镜通过环形电极校正离焦，分立电极阵列校正多阶像差的方式，使变形镜具有更大的变形量，校正性能更佳。

2.本发明的单压电片变形镜具有结构简单、工艺简单、成本低等优点。

3.本发明的单压电片变形镜的环形电极与分立电极阵列集中在一层驱动层上，结构紧凑，具有轻量化的优点。

4.本发明的单压电片变形镜的除公共电极外，其余电极都在变形镜的背面，可以直接与电路板相连，便于实现电气连接及封装。

综上可知，本设计变形镜具有结构简单、小型化、轻量化、成本低、校正冲程大等优点，适合于激光光束整形、视觉成像及显微镜像差校正等应用场合。

虽然关于示例实施例及其优点已经详细说明，应当理解在不脱离本发明的精神和所附权利要求限定的保护范围的情况下，可以对这些实施例进行各种变化、替换和修改。对于其他例子，本领域的普通技术人员应当容易理解在保持本发明保护范围内的同时，工艺步骤的次序可以变化。

此外，本发明的应用范围不局限于说明书中描述的特定实施例的工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法及步骤。从本发明的公开内容，作为本领域的普通技术人员将容易地理解，对于目前已存在或者以后即将开发出的工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法或步骤，其中它们执行与本发明描述的对应实施例大体相同的功能或者获得大体相同的结果，依照本发明可以对它们进行应用。因此，本发明所附权利要求旨在将这些工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法或步骤包含在其保护范围内。

Claims (10)

1.一种单压电片变形镜，其特征在于，所述单压电片变形镜包括：

镜面层，包括非反光表面和反光表面；

带有上、下电极层的驱动层，其中所述上电极层与所述镜面层的非反光表面连接，所述下电极层被图形化为处于外围的外电极和处于中间部分的内电极；其中

所述外电极用于校正离焦像差，所述内电极用于校正多阶像差。

2.如权利要求1所述的单压电片变形镜，其特征在于，所述外电极为环形电极，以及所述内电极为分立电极阵列。

3.如权利要求2所述的单压电片变形镜，其特征在于，所述分立电极阵列的排列形式为六边形阵列或环形阵列。

4.如权利要求1所述的单压电片变形镜，其特征在于，还包括覆盖在所述镜面层的反光表面上的金属反射层。

5.如权利要求1所述的单压电片变形镜，其特征在于，所述镜面层的材料是硅、石英、玻璃或金属。

6.如权利要求1所述的单压电片变形镜，其特征在于，所述驱动层的材料是压电材料或电致伸缩材料。

7.一种单压电片变形镜的制造方法，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镜面层；

b)将所述镜面层与带有上、下电极层的驱动层进行连接，其中所述镜面层的非反光表面与所述驱动层的上电极层连接；以及

c)对所述驱动层的下电极层进行图形化，以得到处于外围的外电极和处于中间部分的内电极，其中所述外电极用于校正离焦像差，所述内电极用于校正多阶像差。

8.如权利要求7所述的制造方法，其特征在于，所述外电极为环形电极，以及所述内电极为分立电极阵列。

9.如权利要求8所述的制造方法，其特征在于，所述分立电极阵列的排列形式为六边形阵列或环形阵列。

10.如权利要求7所述的制造方法，其特征在于，还包括在所述镜面层的反光表面上覆盖金属反射层的步骤。

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